ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina

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1 ICTR 2004 CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA EM RESÍDUOS E DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL Costão do Santinho Florianópolis Santa Catarina AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE INCORPORAÇÃO DE RASPA DE PNEU EM CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND Campiteli, Vicente C. Delinski Jr., José Maurício Fernandes, Fábio Alceu Kluthcowski, João Marcelo PRÓXIMA Realização: ICTR Instituto de Ciência e Tecnologia em Resíduos e Desenvolvimento Sustentável NISAM - USP Núcleo de Informações em Saúde Ambiental da USP

2 AVALIAÇÃO DA CAPACIDADE DE INCORPORAÇÃO DE RASPA DE PNEU EM CONCRETO DE CIMENTO PORTLAND CAMPITELI, Vicente C. 1 DELINSKI JR., José Maurício (2) FERNANDES, Fábio Alceu (3) KLUTHCOWSKI, João Marcelo (4) RESUMO No preparo de pneus para a recapagem, é feita uma raspagem mecânica para a regularização da superfície, formando resíduos descartáveis. Para o aproveitamento desse rejeito fez-se um estudo da capacidade de incorporação de borracha a uma matriz de concreto de cimento portland. A influência dessa incorporação foi avaliada através das propriedades no estado fresco e endurecido. Utilizando-se um concreto matriz padrão, adicionou-se sete diferentes teores de borracha, de de 0 a 10% em volume, misturando-se em betoneira de eixo inclinado. Definiu-se um concreto padrão com relação água/materiais secos (H) e teor de argamassa seca (α) constantes e três diferentes relações água/cimento. No concreto fresco mediu-se a consistência pelo abatimento do tronco de cone e no concreto endurecido mediu-se as resistências à compressão e à tração por compressão diametral, a massa específica e a porosidade, aos 7 e aos 28 dias, a partir de corpos de prova cilíndricos de concreto. Os resultados indicaram que, com a incorporação de borracha ao concreto matriz, proporcionou, para todos os teores de adição, redução nos valores de abatimento do tronco de cone e também das massas específicas e das resistências mecânicas, com pequena redução da porosidade. Constatou-se que para teores crescentes de adição de borracha, a forma de ruptura modificou-se de frágil para dúctil, devido à influência das fibras. Um estudo do consumo relativo de cimento para concretos com mesma resistência aos 28 dias para todos os teores de adição mostrou que quanto maior o teor de adição maior o consumo de cimento. Palavras-chave: concreto, raspa de pneu, incorporação de borracha. 1 Eng. Civil, prof. Dr, Departamento de Eng. Civil da Universidade Estadual de Ponta Grossa, PR; e- mail: vicente@uepg.br (2) Engº Civil, Terra Brasilis Const., Inc. Imob. Ltda. Ponta Grossa, PR; jmdjunior@bol.com.br (3) Engº Civil, Prefeitura Municipal, Araucária, PR; fabioalceu@bol.com.br (4) Engº Civil, Pitanga, PR; joaomark@bol.com.br 3787

3 1 - Introdução O Brasil produziu em milhões de unidades de pneus e em 2002, 45 milhões, somando um passivo ambiental de 30 milhões de pneus. A recauchutagem, que no Brasil atinge 70% da frota de transporte de carga e passageiros, é outro importante meio para se reduzir esses resíduos (CEMPRE, 2004). De acordo com ANDRIETTA (2002), devido a má conservação das estradas e ruas brasileiras, metade das carcaças não atende aos requisitos para a reforma (recauchutados) e estima-se que um terço dos pneus produzidos anualmente para o mercado interno sejam recauchutados, cerca de 10 milhões. Do montante de borracha rejeitado pelo processo de recauchutagem, da etapa de raspagem (Foto 1) uma pequena parte é aproveitada para fabricação de produtos de concreto prensado e outra parte é utilizada para os mais diversos fins e o restante, provavelmente a maior parte, seja enviada para lixões ou bota-foras específicos. Este material se biodegradam muito lentamente (estima-se um prazo não inferior a 150 anos). Foto 1: Etapa de raspagem de pneu no processo de recauchutagem. (Fonte: Pnecap.com.br) O conhecimento do comportamento do concreto com adição deste resíduo pode trazer mais uma alternativa para seu aproveitamento. Não se trata de um solução definitiva, na medida em que, no caso de sua utilização, no futuro, os resíduos da construção que o utiliza trará de volta o resíduo de borracha como problema ambiental a ser resolvido. O que se propõe neste trabalho é a verificação de algumas propriedades do concreto com adição de borracha resultante da recauchutagem de pneus. As propriedades a serem verificadas nestes estudos iniciais são a resistência à compressão e à tração por compressão diametral, a porosidade e a influência no consumo de cimento. O concreto tomado como referência foi para resistências compatíveis com concreto estrutural, feitos com materiais disponíveis na região de Ponta Grossa - PR. 3788

4 2 - Material e métodos Utilizou-se como matriz para as misturas com teores crescentes de raspa de pneu, três concretos dosados com os mesmos materiais (Tabela 1). Tratam-se de materiais disponíveis na região de Ponta Grossa - PR. Tabela 1: Características dos materiais utilizados na confecção dos concretos. Material característica Unid. valor Norma Finura P200 % 2,3 NBR Blaine m 2 /kg 320 NBRNM 76 Massa específica kg/m NM 52 início min 180 Pega Cimento fim min 230 NBRNM 65 1 dia 13,0 Resistência à 3 dias 24,0 MPa compressão 7 dias 30,0 NBR dias 35,0 Tipo / origem Areia do rio Iguaçú Dimensão Máxima Caract. mm 2,4 NBR 7217 Agregado Miúdo Módulo de finura 2,203 NBR 7217 Massa específica kg/m NBR 9776 Classificação Fina NBR 7211 Tipo / origem Diabásio britado Dimensão Máxima Caract. mm 19,0 NBR 7217 Agregado Graúdo Módulo de finura 6,882 NBR 7217 Massa específica kg/m NM 53 Classificação Nº 1 NBR 7211 Raspa de pneu Massa específica (com uso kg/m 3 de querosene) 1148 NBR A raspa de pneu é constituída de fibras de diferentes tamanhos e de pó (Figura 1). Fez-se o peneiramento dos resíduos de borracha com três diferentes aberturas de malha (Tabela 2) e a cada fração denominou-se grossa, média grossa, média fina e fina. Tabela 2) Características granulométricas da raspa de pneu Fração Peneiras Massas Porcentagens Retidas granulom. (mm) (g) Individuais Acumuladas Grossa 6,25 938,0 11,7 11,7 Média grossa 3, ,8 16,2 27,9 Média fina 1, ,0 27,7 55,6 Fina < 1, ,9 44,4 100 Σ 7995,7 100 Na dosagem dos traços de concreto-matriz fez-se o ajuste pelo método adaptado do IPT - Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (Campiteli, 2001). Definiu-se três concretos (Tabela 3) com iguais valores de relação água-materiais secos (H) e teor de argamassa seca (α). A decisão de fixar os valores de H e de α 3789

5 foi tomada para simplificar as operações de laboratório. As relações água/cimento estão relacionadas com as resistências usuais para concreto estrutural. a) 1cm b) d) c) Figura 1: Frações granulométricas da raspa de pneu: a) Grossa; b) Média grossa; c) Média fina; d) Fina. Tabela 3: Características dos concretos matrizes (H = 8,2% e α = 52%) Características Traços em massa 1: a: p: x Abatimento do tronco de cone NBRNM 67 (mm) Concretos-matrizes Pobre Médio Rico 1: 3,325: 3,992 0,682 1: 2,805: 3,512: 0,600 1: 2,285: 3,032: 0, A relação água-materiais (H) secos e o teor de argamassa seca (α) são definidos por: x H = 1+ a 100 (%) α = a + p 1+ a + p (%) A cada um dos três concretos-matrizes foram adicionados teores crescentes de borracha, que foram adicionados e misturados ao concreto matriz já homogeneizado. Um volume fixo de concreto de 40,2 dm 3 foi adotado, por razões operacionais, ao qual foram adicionados 0 0,5 1 1,5 2 3 e 4 kg de borracha. Considerando a massa específica da borracha, as percentagens em volume de borracha relativas ao volume de matriz resultou 0 1,1 2,2 3,3 4,3 6,5 e 8,7. Os concretos foram preparados em betoneira de eixo inclinado, após o quê foram determinadas as características do concreto (Tabela 4). 3790

6 Tabela 4: Características determinadas em laboratório para os concretos estudados Ensaios Normas Consistência NBR 7223 Massa específica no estado fresco NBR 9833 Ar aprisionado - método gravimétrico NBR 9833 Compressão axial NBR 5739 Tração por compressão diametral NBR 7222 Porosidade Massa específica do concreto endurecido NBR 9778 Os corpos de prova cilíndricos de 15 cm de diâmetro por 30 cm de altura foram moldados de acordo com a NBR 5738/03 e adensados mecanicamente com vibrador de imersão. 3 - Resultados Os resultados obtidos com os compósitos nas diferentes determinações estão apresentados nas Tabelas 5 a 7. Tabela 5: Resultados obtidos com o traço pobre = 1: 3,325: 3,992: 0,682 Ensaios Unid. Idade Adição de borracha - % em volume (dias) 0 1,1 2,2 3,3 4,3 6,5 8,7 Abatimento mm Massa esp. - conc. fresco kg/dm 3 2,42 2,42 2,37 2,41 2,44 2,37 2,33 Ar aprisionado % 3,59 2,81 4,44 2,43 0,71 3,32 3,72 Compressão axial MPa 7 10,8 8,8 12,3 9,4 10,0 8,8 8,3 MPa 28 16,3 15,0 17,1 14,1 12,4 11,1 11,0 Tração por compressão MPa 7 1,68 1,41 2,05 1,19 1,14 1,57 1,36 diametral MPa 28 2,08 2,34 2,57 2,27 1,86 1,82 1,58 Porosidade % 7 14,5 14,8 13,5 13,9 14,5 13,7 13,6 % 28 13,3 13,8 12,1 12,3 12,4 12,3 12,4 Massa específica - concreto kg/dm 3 7 2,47 2,44 2,42 2,42 2,39 2,34 2,31 endurecido kg/dm ,49 2,46 2,43 2,43 2,40 2,36 2,34 Tabela 6: Resultados obtidos com o traço médio = 1: 2,805: 3,512: 0,600 Ensaios Unid. Idade Adição de borracha - % em volume (dias) 0 1,1 2,2 3,3 4,3 6,5 8,7 Abatimento mm Massa esp. - conc. fresco kg/dm 3 2,47 2,40 2,36 2,40 2,36 2,33 2,35 Ar aprisionado % 1,98 3,61 4,84 2,44 3,67 4,51 2,49 Compressão axial MPa 7 16,4 13,7 16,1 13,0 11,3 10,7 9,2 MPa 28 22,0 20,3 18,9 18,4 18,0 14,4 14,2 Tração por compressão MPa 7 2,11 2,08 2,37 2,02 1,69 1,29 1,61 diametral MPa 28 3,19 2,90 2,97 2,29 2,16 1,79 1,86 Porosidade % 7 13,8 13,9 13,1 13,4 13,0 13,7 13,8 % 28 13,3 13,5 12,6 11,1 12,2 11,5 12,0 Massa específica - concreto kg/dm 3 7 2,52 2,40 2,44 2,44 2,41 2,35 2,36 endurecido kg/dm ,51 2,43 2,45 2,46 2,41 2,30 2,

7 Tabela 7: Resultados obtidos com traço rico = 1: 2,285: 3,032: 0,518 Ensaios Unid. Idade Adição de borracha - % em volume (dias) 0 1,1 2,2 3,3 4,3 6,5 8,7 Abatimento mm Massa esp. - conc. fresco kg/dm 3 2,50 2,45 2,43 2,46 2,42 2,37 2,33 Ar aprisionado % 1,19 1,61 1,62 0,41 0,41 2,07 2,51 Compressão axial MPa 7 22,0 16,9 17,8 17,0 19,4 14,3 11,5 MPa 28 30,0 21,3 22,9 22,9 23,7 18,1 16,8 Tração por compressão MPa 7 2,94 2,57 2,55 2,00 2,69 2,18 1,89 diametral MPa 28 3,86 2,69 3,05 2,41 3,37 2,61 2,26 Porosidade % 7 13,6 13,7 12,8 12,8 13,2 13,3 13,2 % 28 11,4 13,4 12,3 12,1 11,4 11,7 11,1 Massa específica - concreto kg/dm 3 7 2,53 2,48 2,47 2,47 2,45 2,36 2,39 endurecido kg/dm ,53 2,48 2,44 2,48 2,45 2,38 2,38 Após as determinações das características em laboratório, foram calculados os consumos de cimento por metro cúbico de concreto e as relações entre os consumos e as resistências à compressão e à tração, para cada teor de borracha e cada idade (Tabela 8). Tabela 8: Valores calculados: consumo de cimento e suas relações. Traços Características Unid. Adição de borracha - % em volume 0 1,1 2,2 3,3 4,3 6,5 8,7 Consumo de cimento Kg/m Rel. consumo/tração - 7 d Pobre Rel. consumo/tração - 28 d kg/mpa Rel. cons./compres. - 7 d Rel. cons./compres d Rel. água/mat.secos - vol. % 23,5 23,1 22,8 22,6 22,4 22,2 21,8 Consumo de cimento kg/m Rel. consumo/tração - 7 d Médio Rel. consumo/tração - 28 d kg/mpa Rel. cons./compres. - 7 d Rel. cons./compres d Rel. água/mat.secos - vol. % 23,6 23,0 22,7 22,4 22,1 21,9 21,3 Consumo de cimento kg/m Rel. consumo/tração - 7 d Rico Rel. consumo/tração - 28 d kg/mpa Rel. cons./compres. - 7 d Rel. cons./compres d Rel. água/mat.secos - vol. % 23,7 22,9 22,5 22,1 21,8 21,4 21,7 Os consumos foram calculados considerando o volume de borracha adicionado e o teor de ar aprisionado através da expressão a seguir (Campiteli, 2001), sendo o traço em massa do concreto matriz como 1: a: p: x. As relações água/materiais secos em volume apresentados na Tabela 8 considerou o volume de água em relação ao volume absoluto de materiais secos, incluindo a borracha. 3792

8 C = 1 ME c + a ME a + p ME 1000 p + x + b ME b ar sendo: ME c = massa específica do cimento (kg/dm 3 ); ME a = massa específica do agregado miúdo (kg/dm 3 ); ME p = massa específica do agregado graúdo (kg/dm 3 ); ME b = massa específica da borracha (kg/dm 3 ); b = relação entre as massas de borracha e de cimento (kg); ar = teor de ar aprisionado (%) Tomando por base os valores de resistência à compressão aos 28 dias, para cada teor de borracha, determinou-se as equações de Abrams. Mantendo-se constantes a relação água/materiais secos (H=8,2%) e o teor de argamassa seca (α=52%), determinou-se os diferentes traços de concreto para as resistências 20,0-25,0 e 30,0 MPa. Para cada um dos 21 traços determinados, calculou-se os consumos de cimento (Tabela 9), considerando as adições de borracha e de ar aprisionado. Os teores de ar aprisionado foram calculados como média dos valores de cada um dos traços iniciais, para cada teor de borracha (Tabelas 5 a 7). Equação de Abrams: onde: fcj = A x B fcj = resistência à compressão à idade de j dias (MPa); A e B = constantes que dependem dos materiais; x = relação água/cimento (l/kg). Tabela 9: Valores calculados de relações água/cimento, consumos de cimento para as resistências à compressão aos 28 dias Rel.água/cimento Consumo (kg/m 3 ) Teor de Ar Abrams (28 dias) p/ fc28 (MPa) p/ fc28 (MPa) bor. (%) (%) 20,0 25,0 30,0 A B r 20,0 25,0 30,0 0 0,627 0,567 0,518 2,3 205,67 41,25-0, ,1 0,567 0,463 0,378 2,7 67,27 8,48-0, ,2 0,586 0,460 0,356 3,6 56,73 5,93-0, ,3 0,566 0,491 0,429 1,8 106,78 19,24-0, ,3 0,565 0,509 0,462 1,6 186,38 51,93-0, ,5 0,486 0,411 0,350 3,3 85,25 19,72-0, ,7 0,456 0,397 0,299 2,9 64,94 13,23-0, Discussão Consistência O gráfico da figura 2 mostra que o abatimento diminui com o teor de borracha. A redução se deve à adição crescente de borracha nas misturas, com a conseqüente redução das relações água/materiais secos (Tabela 8). Constata-se que entre os 3793

9 teores de 1,1 a 3,3% de adição, o abatimento tende a se manter constante. Este fato pode estar relacionado a granulometria do conjunto, levando a uma mais conveniente distribuição das partículas, favorecendo a lubrificação entre elas, com a água disponível. Abatimento (mm) teor de borracha (%) traço pobre traço médio traço rico Figura 2: Variação da consistência com o teor de borracha e com o traço Resistência à compressão e à tração Tanto a resistência à compressão como à tração diminuem com a adição de borracha e tendem a apresentar uma indefinição entre os teores de 1,1 a 4,3%. Para os teores 2,2% e 4,3% parece haver um aumento da resistência em relação ao teor de borracha anterior. Isto pode estar relacionado à granulometria do compósito, especialmente no primeiro caso, que, associado a uma redução acentuada do abatimento (aumento da consistência), especialmente no segundo caso, o que exigiu maior energia de adensamento, resultou em um maior empacotamento das partículas, favorecendo a resistência. Resistência à Compressão (MPa) Teor de borracha (%) Resistência à tração (MPa) Teor de borracha (%) traço pobre 7 dias traço médio 7 dias traço rico 7 dias traço pobre 28 dias traço médio 28 dias traço rico 28 dias traço pobre 7 dias traço médio 7 dias traço rico 7 dias traço pobre 28 dias traço médio 28 dias traço rico 28 dias Figura 3: Variação da resistência à compressão e à tração com o teor de borracha, com o traço e com a idade. 3794

10 Durante os ensaios de tração por compressão diametral observou-se que a ruptura dos compósitos, com o aumento de adição, tendeu a mostrar ruptura dúctil em vez de frágil, que caracteriza a ruptura da matriz sem adição. Este fato está vinculado à ação das fibras (HANNANT, 1978) que compõem as frações grossa, média-grossa e média-fina (Fig. 1) Porosidade Constata-se uma pequena variação da porosidade com a adição de borracha, com tendência à redução. Esta redução pode estar relacionada principalmente com o maior empacotamento dos materiais devido à necessidade de maior energia de adensamento por causa da redução do abatimento, ou seja, manutenção de maior tempo do vibrador para a obtenção do adensamento dos corpos de prova. Este aspecto, deste caso, e também os comentados para a figura anterior, parecem indicar que, para cada tipo de adensamento adotado e para cada teor de adição, deve haver um valor de abatimento para o qual o empacotamento do compósito será máximo. Porosidade (%) Teor de borracha (%) traço pobre 7 dias traço médio 7 dias traço rico 7 dias traço pobre 28 dias traço médio 28 dias traço rico 28 dias Figura 4: Variação da porosidade com o teor de borracha, com o traço e com a idade Consumo de cimento O consumo de cimento diminui com o aumento do teor de adição (Tabela 8), mas as resistências, tanto à compressão como à tração, também tendem a diminuir (Fig. 3). Observando as relações entre estas duas características (Fig. 5), pode-se constatar que elas crescem com o aumento do teor de borracha e que quanto mais rico é o traço, menor é a relação consumo/resistência, tanto à compressão quanto à tração. Destaque-se o teor de 2,2% de adição, em que há um benefício do ponto de vista econômico. Este valor menor, para a relação consumo/resistência em 2,2%, pode estar associado a um maior teor de ar aprisionado (Tabelas 5 a 7), já que o consumo leva em conta o teor de ar, como também a uma relação ótima de adensamento/consistência (maior empacotamento), com o aumento relativo das resistências (Fig. 3). 3795

11 No que se refere à variação do consumo para as resistências pré-fixadas de e 30 MPa, constata-se que o consumo de cimento aumenta com o teor de borracha para os três valores de fc28 (Fig. 6). Destaca-se o ponto de inflexão em 4,3% de adição, em que o consumo sofre uma redução relativa, especialmente para os concretos de maior resistência. Estas três resistências pré-fixadas correspondem Relação consumo-compressão (kg/mpa) Relação consumo-tração (kg/mpa) Teor de borracha (%) Teor de borracha (%) traço pobre 7 dias traço médio 7 dias traço rico 7 dias traço pobre 28 dias traço médio 28 dias traço rico 28 dias traço pobre 7 dias traço médio 7 dias traço rico 7 dias traço pobre 28 dias traço médio 28 dias traço rico 28 dias Figura 5: Variação da relação consumo resistência à compressão e à tração com o teor de borracha, com o traço e com a idade. aos traços Médio e Rico, no que se refere às relações água/cimento (Tabelas 3 e 9), mostrando que esta queda do consumo para o teor de 4,3% está coerente com o que se observou na Figura 5, nos comentários correspondentes. Este menor valor para o consumo pode estar relacionado, como foi comentado, a uma relação ótima de adensamento/consistência (maior empacotamento), apontando para um volume ótimo de adição para uma resistência pré-fixada e para as condições de adensamento utilizadas. Consumo de cimento (kg/m3) Teor de borracha (%) 20 MPa 25 MPa 30 MPa Figura 6: Variação do consumo de cimento com o teor de borracha, para concretos de fc28 igual a 20,0-25,0 e 30,0 MPa 3796

12 5 - Conclusão A adição de borracha resultante do processo de recapeamento de pneus - raspa de pneu - em uma matriz de concreto de cimento portland acarreta ao compósito resultante, quando comparado com o concreto matriz, redução do abatimento do tronco de cone e das resistências à compressão e à tração por compressão diametral, para concretos de relação água/materiais secos constante. A porosidade sofre pequena redução e o consumo de cimento aumenta. A relação consumo/resistência será tanto maior quanto mais pobre (em cimento) for o concreto matriz. Para cada processo de adensamento utilizado há um teor ótimo de adição em que os efeitos negativos da adição de borracha são mínimos. Estudos de adição de borracha, em forma de raspa de pneu, utilizando agregados graúdos de menor dimensão e/ou a manutenção de consistência constante, podem fornecer informações importantes. E também devido à ação da fibras de borracha, que afetam a ruptura, estudos de tração por flexão e de resistência ao impacto podem fornecer novas perspectivas de utilização desse rejeito industrial. 5 - Referências bibliográficas ANDRIETTA, A.J. Pneus e meio ambiente: um grande problema requer uma grande solução. Disponível em Acesso em 07 jun CEMPRE. Pneus - O mercado para reciclagem. Disponível em Acesso em 02 de jun CAMPITELI, V.C. Tecnologia do concreto: Aspectos práticos. Ponta Grossa: Departamento de Engenharia Civil, UEPG FERNANDES, F.A.; KLUTHCOWSKY, J.M.C.; DELINSKI JR, J.M. Estudo da viabilidade da adição de resíduos de borracha de pneus em concreto de cimento portland. Ponta Grossa: Departamento de Engenharia Civil, UEPG HANNANT, D.J. Fibre cements and fibre concretes. New York: John Wiley