Betão com incorporação de agregados de pneus usados: desempenho em termos de durabilidade

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1 BE Encontro Nacional Betão Estrutural Lisboa - 10, 11 e 12 de Novembro de 2010 Betão com incorporação de agregados de pneus usados: desempenho em termos de durabilidade RESUMO Miguel Bravo 1 Jorge de Brito 2 A crescente consciencialização sobre a problemática da colocação de pneus usados em aterros resultou no desenvolvimento de diversas aplicações para estes resíduos. Desde o início da década de 1990, tem sido estudado o comportamento dos betões com agregados de borracha de pneus usados. No entanto, as investigações existentes analisam, principalmente, as características mecânicas dos betões. Deste modo, nesta investigação pretendeu-se avaliar o desempenho dos betões com agregados de borracha de pneus usados, ao nível da durabilidade. Foram realizados ensaios à retracção, à absorção de água por imersão, à absorção de água por capilaridade, à resistência à carbonatação e à resistência à penetração de cloretos. Nesta pesquisa, efectuaram-se betões com 5, 10 e 15% de substituição de agregados naturais por agregados de borracha de pneus usados, tendo-se estudado a substituição em agregados finos, em grossos e em ambos. Os agregados de pneus usados podem ser triturados através de dois processos: mecânico e criogénico. Assim, nesta investigação, procedeu-se ainda à análise da influência do tipo de trituração da borracha, produzindo-se betões com os dois tipos de agregados de borracha de pneus usados. PALAVRAS-CHAVE Betão; Pneus usados; Durabilidade; Sustentabilidade. 1 2 Universidade Técnica de Lisboa, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal. miguelnbravo@gmail.com Universidade Técnica de Lisboa, Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal. jb@civil.ist.utl.pt

2 Betão com incorporação de agregados de pneus usados: desempenho em termos de durabilidade 1. INTRODUÇÃO Anualmente existe uma grande quantidade de pneus que é rejeitada, pelo que se sentiu a necessidade de procurar destinos para a colocação destes resíduos. Durante muitos anos, a maioria dos pneus usados era colocada em aterros, o que constituía um grave problema para o ambiente e para a saúde pública. Actualmente, a aplicação de pneus usados é já muito diversificada, destacando-se, na construção civil, as barreiras de betão do tipo New Jersey e os pavimentos de vias. Relativamente aos betões com agregados de borracha de pneus usados (BAP), é importante referir que estes começaram a ser estudados na década de Acerca das propriedades mecânicas dos BAP, Eldin e Senouci [1] referiram que estes possuem uma menor resistência à compressão e à tracção. Em 1996, Clark e Fattuhi [2] verificaram que os BAP apresentavam uma trabalhabilidade muito reduzida, conclusão partilhada por outros estudos. Outras características, tais como o módulo de elasticidade, a resistência aos ciclos de gelo / degelo, a capacidade de amortecimento e o comportamento térmico e acústico dos BAP, foram também investigadas por Barluenga et al. [3], Ahmad et al. [4], Avcular e Topçu [5] e Sukontasukkul e Wiwatpattanapong [6], respectivamente. A generalidade dos autores aponta para uma diminuição da qualidade das características mecânicas dos betões, aquando da incorporação de agregados de borracha de pneus usados (AP). Embora o estudo das propriedades mecânicas dos BAP já se encontre algo desenvolvido, no que se refere às características de durabilidade os estudos existentes são muito escassos e, relativamente a algumas propriedades, inexistentes. Assim, esta investigação teve o objectivo de analisar diversas propriedades dos BAP, ao nível da durabilidade, tais como a retracção, a absorção de água por imersão, a absorção de água por capilaridade, a resistência à carbonatação e a resistência à penetração dos cloretos. Neste estudo, para além do betão de referência [BR), foram produzidos betões com substituição de agregados naturais (AN) por AP em diferentes percentagens de volume total de agregados (5, 10 e 15%), em diferentes dimensões (finos F, grossos G e ambos FG) e oriundos de diferentes processos de trituração (mecânico e criogénico - assinalados com um asterisco). Para além dos ensaios referidos, realizados no estado endurecido, foram também efectuados ensaios aos diversos betões no estado fresco, de forma a avaliar as suas trabalhabilidades e massas volúmicas. Antes da produção dos betões, foram efectuados diversos ensaios aos agregados, de forma a se conhecer melhor as características de um dos elementos mais importantes dos betões. Posteriormente à realização da campanha experimental, foram analisados os resultados obtidos e relacionados com outras propriedades dos betões, com as propriedades dos agregados e com outros estudos existentes. 2. PROGRAMA EXPERIMENTAL 2.1 Materiais Nesta investigação, foram utilizados agregados naturais (AN) e agregados de borracha de pneus usados (AP). Relativamente aos AN, a empresa Unibetão forneceu agregados grossos britados e areias roladas de origem calcária. Um dos objectivos do presente estudo foi analisar a influência que o processo de trituração dos AP tem nas características dos BAP. Os AP triturados pelos processos mecânico e criogénico foram fornecidos pelas empresas Biosafe e Recipneu, respectivamente. Na produção dos betões foram ainda utilizados cimento do tipo CEM II A-L 42,5 R, cedido pela empresa SECIL, e água potável. 2

3 Encontro Nacional de Betão Estrutural 2010 Bravo e Brito 2.2 Composição dos betões Foram produzidos 13 tipos de betão: o betão de referência, betões com taxas de substituição de 5, 10 e 15% do volume total de agregados, de AN por AP. Para cada percentagem, produziu-se betões com substituição dos agregados totalmente nos finos, totalmente nos grossos e em finos e grossos, simultaneamente. Para os betões com substituição de AN por AP em finos, foram utilizados AP triturados pelo processo mecânico e AP obtidos pelo processo criogénico. Foi considerada uma dimensão máxima das partículas de 25,4 mm e não foram utilizados adjuvantes e adições. Todos os betões foram produzidos com um abaixamento igual a 80 ± 10 mm, de modo a possibilitar uma correcta comparação entre estes. Para isso, realizou-se uma fase experimental, na qual se ajustou, sempre que necessário a quantidade de água colocada, para cada tipo de betão, de modo a conseguirse a exigência referida. A composição do betão de referência foi determinada através do método de Faury com o objectivo de que a sua resistência pertencesse à classe C30/37. As diferentes proporções dos materiais podem ser observadas no Quadro Ensaios aos agregados Quadro 1. Composição do betão de referência [7]. Agregados finos Agregados grossos Cimento 0, ,063 0,000 0,063-0,125 0,000 0,125-0,25 0,021 0,25-0,5 0,048 0,5-1 0, , , ,6 0,039 5,6-8 0, ,2 0,045 11,2-16 0, ,4 0,114 22,4-25,4 0,045 Água 0,197 Vazios 0,015 Total 1,000 Os ensaios realizados aos diversos agregados foram: a análise granulométrica que seguiu as normas EN (2000) e EN (1999), a massa volúmica e a absorção de água de acordo com a norma EN (2003), a baridade e o volume de vazios seguindo a norma EN (2003), o desgaste de Los Angeles segundo a especificação LNEC E-237 (1970) e, por fim, o índice de forma que seguiu a norma EN (2002). 2.4 Ensaios ao betão fresco Realizaram-se ensaios ao abaixamento do cone de Abrams baseado na norma EN (2002) e à massa volúmica segundo a norma EN (2002). 3

4 Betão com incorporação de agregados de pneus usados: desempenho em termos de durabilidade 2.5 Ensaios ao betão endurecido Os betões no estado endurecido foram ensaiados à retracção segundo a especificação LNEC E-398 (1993), à absorção de água por imersão de acordo com a especificação LNEC E-394 (1993), à absorção de água por capilaridade baseado na especificação LNEC E-393 (1993), à resistência à carbonatação segundo a especificação LNEC E-391 (1993) e à resistência à penetração de cloretos de acordo com a especificação LNEC E-463 (2004). 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Propriedades dos agregados Pode-se verificar (Quadro 2) que se obtiveram valores de massa volúmica das partículas secas em estufa e de massa volúmica das partículas saturadas com superfície seca para os AP, significativamente inferiores aos obtidos relativamente aos AN. Tal como expectável, obteve-se a mesma tendência no ensaio de baridade. Quadro 2. Massa volúmica e absorção de água dos agregados [7]. Agregados Areia fina Areia Bago de grossa arroz Brita 1 Brita 2 Borracha Borracha triturada criogénica Massa volúmica das partículas secas em estufa (kg/dm 3 ) 2,61 2,40 2,39 2,44 2,60 1,01 1,07 Massa volúmica das partículas saturadas com superfície seca (kg/dm 3 ) 2,62 2,42 2,42 2,48 2,63 1,03 1,09 Absorção de água (%) 0,24 0,80 1,25 1,32 0,97 1,78 1,60 Baridade (kg/dm 3 ) 1,41 1,54 1,47 1,44 1,42 0,44 0,46 Desgaste de Los Angeles (%) ,8 28,6 30,7 0,0 - Índice de forma (%) ,5 18,3 14,0 15,4 / 7,5 - Notas: No ensaio do índice de forma, os dois valores referentes aos agregados de borracha de pneus usados (AP) correspondem aos AP com dimensão de 4-7 mm e de 7-9,5 mm, respectivamente. Do ensaio de absorção de água, pode-se concluir que a absorção de água dos AN é semelhante à dos AP. Considera-se que a diferença existente entre os valores determinados para os AP e para os AN pode dever-se à dificuldade de execução do procedimento de ensaio, pois este envolve a secagem da superfície dos agregados que, no caso dos AP, se torna muito complicada. Assim, esse pode ter sido o motivo para se terem obtido valores de absorção de água dos AP ligeiramente superiores aos dos AN. Através do ensaio de desgaste de Los Angeles, pode-se observar que os agregados de borracha (AP) não sofrem qualquer alteração quando submetidos a este processo abrasivo, pelo que não é indicado para este tipo de agregado. No que se refere aos agregados naturais (AN), verificaram-se desgastes superiores a 20%. Relativamente à forma dos diversos agregados grossos utilizados na produção dos betões, pode-se constatar que a forma dos AP não é muito distinta da forma dos AN. No entanto, no que se refere aos agregados de borracha com dimensões compreendidas entre 7 e 9,5 mm, a sua forma é significativamente mais arredondada do que a dos AN e do que a dos AP de menor dimensão. 3.2 Propriedades do betão fresco Trabalhabilidade Produziram-se betões com trabalhabilidades semelhantes (Figura 1) definindo-se 80 mm como o valor 4

5 Encontro Nacional de Betão Estrutural 2010 Bravo e Brito de abaixamento desejado com uma margem de tolerância de ±10 mm. Como se pode observar, essa margem não foi cumprida em 3 tipos de betões, B05F, B10G e B15F, respectivamente com abaixamentos de 66, 92 e 66 mm. Como o incumprimento do limite estabelecido é no máximo de 4 mm, não foi considerado relevante na análise dos ensaios no estado endurecido. Figura 1. Abaixamento do cone de Abrams dos diversos betões [7] Massa volúmica Os resultados obtidos (Figura 2) permitem observar que a massa volúmica dos diversos betões é tanto menor quanto maior for a percentagem de substituição de AN por AP. Verifica-se que, quanto menor for a dimensão dos AP, maior será a diminuição da massa volúmica no estado fresco dos BAP, e que com a utilização dos AP obtidos pelo processo mecânico se obtiveram betões com massas volúmicas no estado fresco menores do que nos betões com AP triturados pelo processo criogénico. 3.3 Propriedades do betão endurecido Figura 2. Massa volúmica no estado fresco dos diversos betões [7] Resistência à compressão O ensaio da determinação da resistência à compressão, cujo objectivo consistiu na determinação da capacidade resistente dos diversos betões sob tensão uniforme de compressão, foi realizado segundo a norma EN (2003). 5

6 Betão com incorporação de agregados de pneus usados: desempenho em termos de durabilidade A resistência à compressão não é uma propriedade que caracterize directamente a durabilidade dos elementos de betão. No entanto, foram analisados os seus resultados obtidos por Filipe Valadares numa investigação paralela a esta [8], devido à sua relevância. A análise da resistência à compressão é muito utilizada na caracterização da qualidade dos betões, bem como na avaliação indirecta da durabilidade dos mesmos. Pode-se verificar (Figura 3) que a diminuição das resistências à compressão chega a atingir 50%, para os betões B15F e B15F* (betões com 15% de substituição de AN finos por agregados finos de borracha obtidos pelo processo mecânico e criogénico, respectivamente). Conclui-se, também, que o decréscimo de resistência dos BAP é mais acentuado no caso da substituição de agregados finos, do que no caso da substituição de agregados grossos. Figura 3. Resistência à compressão (3ª fase) aos 28 dias dos diversos betões [7] Retracção Os BAP apresentam retracções superiores às do BR (Figura 4), verificando-se que, quanto menor for a dimensão dos agregados substituídos, maior é a retracção dos betões, com excepção do valor obtido para o betão com 10% de substituição de AN por AP, em agregados grossos e finos, cujos resultados se deverão dever a erros experimentais. Figura 4. Retracção no estado endurecido dos diversos betões, ao fim de 90 dias [7]. 6

7 Encontro Nacional de Betão Estrutural 2010 Bravo e Brito Absorção de água por imersão Pode-se observar (Figura 5) que a substituição de AN por AP provoca um aumento da absorção de água por imersão dos betões, principalmente aquando da substituição de agregados grossos. Além disso, também se verificou que a absorção de água dos BAP com AP triturados pelo processo mecânico é inferior à dos BAP com AP obtidos pelo processo criogénico. Figura 5. Absorção de água por imersão para os diversos betões [7] Absorção de água por capilaridade Verifica-se (Figura 6) que a absorção de água por capilaridade aumenta com o acréscimo da taxa de substituição dos AN por AP. Verifica-se também que a dimensão dos agregados substituídos assume um papel importante no aumento da absorção de água por capilaridade, sendo que os BAP com substituição dos agregados grossos possuem valores de absorção muito superiores aos obtidos para os BAP com substituição dos agregados finos. Figura 6. Absorção de água por capilaridade às 72 horas, em g/mm 2, para os diversos betões [7]. Por fim, refira-se que aos BAP produzidos com AP triturados pelo processo mecânico correspondem valores menores de absorção de água por capilaridade, comparando com os BAP constituídos por AP obtidos pelo processo criogénico Profundidade de carbonatação A profundidade de carbonatação aumenta com o acréscimo da taxa de substituição de AN por AP (Figura 7). Verifica-se ainda que esta variação é influenciada pelo aumento da dimensão dos agregados substituídos, e que, no que respeita ao ensaio da resistência à carbonatação, a escolha do processo de trituração dos AP não tem influência nos BAP. 7

8 Betão com incorporação de agregados de pneus usados: desempenho em termos de durabilidade Figura 7. Profundidade de carbonatação aos 28 dias dos diversos betões (os algarismos nas abcissas correspondem à taxa de substituição em percentagem) [7] Penetração de cloretos A substituição dos AN por AP em 5% origina uma diminuição do coeficiente de difusão dos cloretos, em relação ao BR (Figura 8). A variação verificada poderá ser devida a um erro experimental não identificado, na fase de produção do betão de referência. Verifica-se ainda que ocorre um aumento do coeficiente de difusão dos cloretos nos BAP com o aumento da taxa de substituição dos agregados de 5 para 15%. Por fim, observou-se que o aumento da dimensão dos agregados substituídos provocou um acréscimo do coeficiente de difusão dos cloretos e que os BAP constituídos por AP obtidos pelo processo criogénico possuem uma menor resistência à penetração de cloretos, comparativamente aos BAP com AP triturados pelo processo mecânico. Figura 8. Coeficiente de difusão dos cloretos aos 91 dias dos diversos betões [7]. 4. CONCLUSÕES Nesta investigação, foi analisado o comportamento dos BAP, em termos de durabilidade. Assim, os resultados experimentais permitiram a obtenção das seguintes conclusões: A resistência à compressão é bastante afectada pela substituição de AN por AP, tendo-se verificado uma redução de aproximadamente 50% para uma taxa de substituição de 15%; 8

9 Encontro Nacional de Betão Estrutural 2010 Bravo e Brito A retracção dos betões aumenta com o acréscimo da taxa de substituição dos AN por AP, sendo que esta variação é inferior no caso dos agregados grossos; A absorção de água por imersão aumenta com o acréscimo da taxa de substituição de AN por AP e, principalmente, com o aumento da dimensão dos agregados substituídos; O valor da absorção de água por capilaridade para o betão de referência parece ter sido originado por erros experimentais, que não foram identificados; por este motivo, é necessário algum cuidado na leitura dos resultados experimentais. Apesar das reservas, pode-se verificar que a absorção de água por capilaridade aumenta, quando a taxa de substituição aumenta de 5 para 15%; A resistência à carbonatação é afectada de forma significativa pela incorporação dos AP, principalmente no caso da substituição de agregados grossos; A resistência à penetração de cloretos diminui com o aumento da taxa de substituição de AN por AP, sendo que esta diminuição é superior aquando da substituição de agregados grossos. Embora, de forma geral, se ter verificado um decréscimo nas propriedades dos BAP, ao nível da durabilidade, considera-se que a utilização de AP em betões pode ser vantajosa. As vantagens advêm, por exemplo, das boas características de amortecimento, e do bom comportamento térmico e acústico dos BAP, referidos em estudos anteriores. Além disto, deve-se também ter em consideração as vantagens ambientais provocadas pela reutilização dos pneus usados. REFERÊNCIAS [1] ELDIN, N.; SENOUCI, A. - Observations on rubberized concrete behavior. Cement, Concrete and Aggregates 15(1), ASTM International, pp [2] FATTUHI, N.; CLARK, L. - Cement-based materials containing shredded scrap truck tyre rubber. Construction and Building Materials 10(4), Elsevier, pp [3] HERÁNDEZ-OLIVARES, F.; BARLUENGA, G.; BOLLATI, M.; WITOSZEK, B. - Static and dynamic behaviour of recycled tyre rubber-filled concrete. Cement and Concrete Research 32(10), Elsevier, pp [4] SAVAS B.; AHMAD S.; FEDROFF D. - Freeze-thaw durability of concrete with ground waste tire rubber. Transportation Research Record No. 1574, USA, pp [5] TOPÇU, I.; AVCULAR, N. - Collision behaviours of rubberized concrete. Cement and Concrete Research 27(12), Elsevier, pp [6] SUKONTASUKKUL, P.; WIWATPATTANAPONG, S. - Insulated lightweight concrete mixed with superfine crumb rubber powder. Annual Concrete Conference 4, Thailand, [7] BRAVO, M. - Betões com incorporação de agregados provenientes da trituração de borracha de pneus usados. Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil, IST, Universidade Técnica de Lisboa, Lisboa p. [8] VALADARES, F. - Desempenho mecânico de betões estruturais com granulados de borracha provenientes de pneus usados. Dissertação de Mestrado em Engenharia Civil, IST, Universidade Técnica de Lisboa, Lisboa p. 9