UTILIZAÇÃO DO PÓ DE ACIARIA (PAE) COMO ADIÇÃO AO CONCRETO

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1 UTILIZAÇÃO DO PÓ DE ACIARIA (PAE) COMO ADIÇÃO AO CONCRETO A.T.Machado, A.L.R.Tachard, D.V.Ribeiro, R.J.C.Cardoso Rua Aristides Novis, 02, Federação. CEP Universidade Federal da Bahia Departamento de Ciência e Tecnologia dos Materiais RESUMO Atualmente, a reciclagem de resíduos sólidos vem se consolidando, principalmente para a obtenção de materiais alternativos para a construção civil, tal como ocorre com a escória de alto forno e a cinza da casca de arroz (utilizadas como adição no cimento), com o entulho de construção e pó do corte de granito (utilizados como agregados). Porém, alguns resíduos, tal como o pó de aciaria elétrica (PAE), apresentam comportamento agressivo tanto ao homem quanto ao meio ambiente por apresentarem espécies químicas perigosas em sua composição, tais como o chumbo, o zinco e o cromo. No presente trabalho, é apresentada uma alternativa de reciclagem para o PAE resíduo retido no sistema de despoeiramento das siderúrgicas durante o processo de fabricação do aço. Foi avaliado o comportamento mecânico e ambiental do concreto de média resistência (cerca de 20 MPa) contendo adição do PAE nos teores de (10, 15, 20 e 25) %, em relação à massa de cimento. Os resultados preliminares indicam um aumento de 69,2 % na resistência à compressão axial do concreto contendo 15 % de PAE e aumento de 81,2 % para o concreto com 20 % de PAE. Além disso, observou-se um retardamento no ganho de resistência mecânica dos corpos-de-prova com teores de PAE acima de 10 %. Palavras-chaves: pó de aciaria; resíduo; concreto; adição. INTRODUÇÃO Os resíduos sólidos ou subprodutos oriundos de atividades industriais têm se tornado objeto de inúmeras pesquisas que visam a reutilização desses materiais no ciclo de vida dos materiais. Nesse contexto, os resíduos industriais merecem atenção especial por apresentarem em sua composição química elementos perigosos ao homem e ao meio ambiente. Uma das soluções encontradas para a destinação final dos resíduos industriais é sua incorporação a uma matriz, seja cerâmica ou polimérica, visando o encapsulamento das substâncias potencialmente perigosas. Esse processo de fixação de contaminantes promove adequação ambiental de produtos alternativos que contenham resíduos na sua composição. Na produção do aço, existem três processos principais: Open Hearth (OH), Basic Oxygen Furnace (BOF) e Electric Arc Furnace (EAF). O principio de produção do aço baseia-se em procedimentos de oxidação do minério de ferro e da sucata metálica que reduzem elementos secundários, como o C, Mn, P e o Si, aos níveis desejados (ILFA,1995). O propósito principal do processo de produção do aço a partir do ferro gusa é a redução dos teores de carbono de 4 % para níveis inferiores a 1 % (usualmente, < 0.1%), além de outros elementos como enxofre ou fósforo. No processo por forno elétrico de fusão, é gerado um arco elétrico de corrente, contínua ou alternada, por onde passa uma corrente elétrica que aquece um resistor de grafite (ou carvão amorfo) elevando a temperatura do metal até a fusão aproximadamente 1600 C [1]. Nestes processos são gerados dois resíduos principais, a escória (EAFS 1 ) e o pó (PAE) de aciaria. A escória de aciaria contém grande quantidade de CaO, SiO 2, FeO, Fe 2O 3, MnO, Al 2O 3, MgO e uma quantidade menor de TiO 2, P 2O 5, S, Cr 2 O 3, V 2 U 5, etc. [2]. O PAE é um resíduo extremamente fino, retido no sistema de controle de despoeiramento das indústrias de aço e coletado por meio de dutos aspiradores. Sua geração aproximada é na ordem de 1,7 % da massa de aço produzido, o que em 2001 representou cerca de t. Devido à presença relevante de metais pesados em sua composição química, tal resíduo é classificado como sendo classe I (perigoso) e de difícil reciclagem. Estes metais pesados são provenientes, principalmente da sucata metálica utilizada na fundição do aço juntamente com 1 EAFS Electric Arc Furnace Slag 1272

2 o minério de ferro 2. Assim, o teor de metais pesados no PAE está intimamente relacionado ao percentual de sucata utilizada na aciaria e com o tipo de matérias-primas utilizadas no forno ou no conversor. Atualmente têm -se estudado algumas aplicações para o PAE, como na composição de blocos cerâmicos, formados por 60% de argila, 20% de areia e 20% de resíduo e como corante para matrizes de cimento Potland. Na fabricação de cerâmica o composto atendeu aos requisitos de disposição de resíduos perigosos, notadamente aos limites de lixiviados e às emissões gasosas, tendo ainda uma menor temperatura de queima [3]. Neste trabalho, são apresentados alguns resultados obtidos com a utilização do pó de aciaria elétrica como adição ao concreto. Como análise inicial, foi observado o comportamento do concreto quanto à sua resistência mecânica, além de sua adequação às normas ambientais (ensaios de lixiviação e solubilização). MATERIAIS E MÉTODOS A areia (agregado miúdo) e a brita (agregado graúdo) utilizadas na elaboração do concreto foram provenientes das jazidas da Região Metropolitana de Salvador, com características físicas descritas na Tabela I: Tabela I. Caracterização física dos agregados utilizados Indice físico Massa unitária NBR 7251/82 Massa específica NBR 9776/87 (areia) NBR 9937/87 (brita) Granulometria NBR 7217/87 AREIA µ = 0,88 g/cm 3 ρ = 2,62 g/cm 3 Dimensão máx. = 0,6 mm BRITA µ = 1,54 g/cm 3 ρ = 2,85 g/cm 3 Dimensão máx. = 19 mm O pó de aciaria usado como adição foi proveniente do processo de Forno de Arco Elétrico (EAF). Para a determinação de alguns dos seus parâmetros físicos, foram adaptados procedimentos especificados em norma para cimento, devido a elevada finura do resíduo (Tabela II). Quanto à determinação da distribuição granulométrica, foi realizado o ensaio de sedimentação aplicado às argilas partículas com diâmetro inferior a 0,075mm cujo resultado encontra-se representado na Figura I. Tabela II. Caracterização física do pó de aciaria elétrica Índice físico Massa específica NBR NM 23 Superfície específica NBR NM 76 / 98 Pó de Aciaria Elétrica ρ = 4,08 g/cm 3 S = 7310 cm 2 / g 2 Em muitos casos a sucata é contaminada por zinco, utilizado no processo de galvanização do material. 1273

3 Percentagem que passa (%) ,001 0,01 0, Tamanho das Partículas (mm) Figura I. Distribuição granulométrica do pó de aciaria elétrica (PAE) Para a avaliação do produto (concreto contendo PAE), foram moldados cinco conjuntos de corposde-prova com diferentes teores de adição do resíduo, assim denominados: CP1 0% de resíduo (concreto convencional - Referência); CP2 concreto contendo 10% de PAE (em relação à massa de cimento); CP3 adição de 15% de PAE; CP4 adição de 20% de PAE; CP5 adição de 25% de PAE. O principal parâmetro de dosagem foi a trabalhabilidade, obtida com 560 litros de argamassa por metro cúbico de concreto e consumo de cimento de 350 kg /m³. Foi fixada a relação água/cimento em 0,54 e utilizado aditivo plastificante no teor de 0,2 % (da massa de cimento). Os ensaios mecânicos realizados avaliaram a resistência do concreto à compressão axial (NBR 5739/94) e à tração por compressão diametral (NBR 7222/94), sendo possível comparar a influência da adição do PAE nestas propriedades. Para os corpos-de-prova CP2 a CP5 foram também realizados os ensaios de lixiviação (NBR 10005) e solubilização (NBR 10006), a fim de se observar o comportamento ambiental do concreto contendo resíduo. RESULTADOS E DISCUSSÃO Concreto fresco A primeira característica observada nos corpos-de-prova adicionados com pó de aciaria elétrica foi o retardo no tempo de pega. No concreto convencional, o corpo-de-prova é colocado em cura 24 horas e após este período os mesmos já se apresentam com elevada resistência mecânica. Este fenômeno não pôde ser observado nos CP2 (10 %) a CP5 (25 %). Nestes últimos, notou-se que, após esse período, a superfície superior do corpo-de-prova ainda não apresentava sinais de endurecimento simulando a ação de um aditivo retardador de pega. Na composição típica do pó de aciaria encontra-se elevados teores de Fe 2 O 3 (média de 45,6 %), ZnO (10 %) e PbO (até 2 %). Por sua vez, a ação dos aditivos retardadores de pega do cimento Portland é apresentada, dentre outros elementos, pelos sais solúveis de zinco [4,8].De modo particular, estudos já comprovaram que o óxido de zinco retarda fortemente o tempo de pega do cimento, e que este efeito é aumentado na presença de óxidos de outros metais. Mostrou-se que uma camada amorfa de Zn(OH) 2 é formada durante a hidratação da fase C 3 S na presença de Zn, retardando, então, a hidratação desta fase. Semelhantemente, a etringita não é formada na presença de PbO [5]. Dada a composição química do PAE, estas podem ser as possíveis razões do retardo no tempo de pega dos corpos-de-prova observados 3. 3 Este tópico faz parte de um outro estudo que identifica os efeitos do uso do pó de aciaria elétrica em matrizes de cimento Portland. 1274

4 Além disso, o tempo necessário para o desmolde tomado em intervalos de 24 horas foi variável entre as diferentes composições. Para o CP2, aguardou-se 48 horas para que fosse colocado em cura; os CP3 e CP4 apresentaram características de endurecimento completo apenas 72 horas após a moldagem. Já a composição CP5, mesmo após 72 horas e apresentando um relativo enrijecimento superficial, resultou em corpos -de-prova que sofreram desagregação dos materiais quando colocados em cura; este fenômeno não permitiu a realização dos ensaios de compressão nem aqueles relativos ao comportamento ambiental. Experimentos estão sendo realizados no sentido de determinar se tal adição de PAE exige um tempo de cura ainda maior ou se a quantidade de resíduo foi responsável pela hidratação insatisfatória do cimento e dos agregados. Concreto endurecido Os resultados obtidos de resistência à compressão axial aos 28 dias estão demonstrados na Figura II. V erificou-se que a adição de pó de aciaria elétrica resultou no aumento da resistência do concreto de acordo com o percentual adicionado. A tendência de crescimento na resistência dos corpos-de-prova foi mantida no intervalo observado de CP1 (0 %) a CP4 (20 %). O concreto convencional CP1, sem adição de resíduo, apresentou resistência característica de 25 MPa aos 28 dias; adicionando-se 10 % de pó de aciaria (CP2), em relação à massa de cimento, foi observado um aumento de cerca de 35 % na resistência. Já as composições CP3 e CP4 apresentaram um aumento de resistência de cerca de 69 % e 81 %, respectivamente, em relação ao concreto padrão CP1. Em relação à resistência à tração por compressão diametral (idade de 28 dias), a adição do pó de aciaria elétrica também se mostrou favorável. Excetuando-se o concreto CP3, que manteve praticamente o mesmo desempenho do concreto convencional (resultado a ser revisto), as outras composições apresentaram aumento na resistência de 17,5 % (CP2) e 28,6 % (CP4). O principal fator que pode justificar esta melhora de desempenho mecânico é associado ao efeito filler, reduzindo a porosidade do concreto. Formatado: Cor da fonte: Automática Excluído: Figura II Resistência à compressão aos 28 dias (MPa) ,3 45,3 33,8 25,0 CP1 (0%) CP2 (10%) CP3 (15%) CP4 (20%) Figura II. Resistência à compressão axial dos concretos CP1 a CP5 (aos 28 dias, em MPa) 1275

5 Resistência à tração aos 28 dias (MPa) ,12 4,84 4,09 5, CP1 (0%) CP2 (10%) CP3 (15%) CP4 (20%) Figura III. Resistência à tração por compressão diametral dos concretos CP1 a CP5 (aos 28 dias, em MPa) Comportamento ambiental As Tabela II e Tabela III trazem os resultados relativos aos ensaios de lixiviação e solubilização realizados nos concretos CP2 a CP4. Os resultados obtidos nestes ensaios classificam os materiais quanto aos seus riscos ambientais, para que possam ser manipulados e armazenados de forma adequada. Conforme as normas NBR e NBR 10006, se o nível de um dos indicadores do ensaio de lixiviação exceder os limites prescritos, a amostra será classificada como Classe I. De forma semelhante, para o ensaio de solubilização, níveis de elementos químicos acima dos limites máximos implicam na classificação da amostra como sendo Classe II. Assim, o concreto em estudo pode ser enquadrado como não inerte, devido unicamente à concentração de alumínio acima do limite máximo. Tabela III. Resultados do ensaio de lixiviação Teste de lixiviação - NBR Parâmetros Limite (mg/l) 10% de PAE 15% de PAE 20% de PAE Bário Cádmio 0.50 < 0,0020 < 0,0020 < 0,0020 Chumbo , < 0,0100 Cromo 5.00 < 0,0060 < 0,0060 < 0,0060 Prata 5.00 < 0,0020 < 0,0020 < 0,0020 Tabela IV. Resultados do ensaio de solubilização Teste de Solubilização - NBR (prova 1) Parâmetros Limite (mg/l) 10% de PAE 15% de PAE 20% de PAE Bário Cádmio 0.01 < 0,0020 < 0,0020 < 0,0020 Chumbo 0.05 < 0,0100 < 0,0100 < 0,0100 Cromo 0.10 < 0,0060 < 0,0060 < 0,0060 Prata 0.05 < 0,0020 < 0,0020 < 0,0020 Zinco 5.00 < 0,0100 0,0213 0,1013 Ferro 0.00 < 0,0060 < 0,0060 < 0,0060 Cobre 0.30 < 0,

6 Alumínio Sulfato Nitrato Teste de Solubilização - NBR (prova 2) Parâmetros Limite (mg/l) 10% de PAE 15% de PAE 20% de PAE Bário Cádmio 0.01 < 0,0020 < 0,0020 < 0,0020 Chumbo 0.05 < 0,0100 < 0,0100 < 0,0100 Cromo 0.10 < 0,0060 < 0,0060 < 0,0060 Prata 0.05 < 0,0020 < 0,0020 < 0,0020 Zinco 5.00 < 0,0100 0,0234 0,0291 Ferro 0.00 < 0,0060 < 0,0060 < 0,0060 Cobre 0.30 < 0, < 0,0030 Alumínio Sulfato Nitrato CONCLUSÕES A partir dos resultados descritos, pode-se concluir que: O pó de aciaria elétrica, de composição semelhante ao estudado, apresenta-se como um resíduo que pode ser utilizado como adição ao concreto, garantindo, assim, uma disposição ambientalmente adequada; A adição de pó de aciaria elétrica ao concreto, até um limite de 20% em relação à massa de cimento, confere ao produto melhoria nas propriedades mecânicas de resistência, principalmente à compressão axial. Necessita-se de estudos posteriores no sentido de observar o comportamento do concreto adicionado de teores mais elevados de PAE. Entretanto, espera-se que, nestas condições, seja necessário esperar mais do que 72 horas para que seja iniciada a cura do concreto, devido ao retardamento do ganho de resistência dos corpos-de-prova. O concreto contendo pó de aciaria elétrica mostrou-se adequado em relação ao desempenho ambiental, atendendo aos requisitos da Norma Brasileira em relação aos limites de elementos químicos lixiviados. REFERÊNCIAS [1] Machado, A. T. Estudo comparativo dos métodos de ensaio para avaliação da expansibilidade das escórias de aciaria. São Paulo, [2] Lee, F.T.; Lee, C.H. Study on the reduction behavior of FeO in EAF slag. Steel Times International [3] Dominguez, E. e Ullmann, R., Ecological bricks made with clays and steel dust polluants. Applied Clay Science 11 (1996) [4] Neville, A. M. Propriedades do Concreto. 2 a. ed. São Paulo: Pini, 1997 [5] Olmo, I.F.; Chacon, E.; Irabien, A Influence of lead, zinc, iron (III) and chromium (III) oxides on the setting time and strength development of Pórtland cement. Cement and Concrete Research 31 (2001) [6] IBS Instituto Brasileiro de Siderurgia. Identificação e seleção de tecnologias para tratamento e/ou reciclagem de pós de aciarias elétricas. Relatório final. Planejamento estratégico [7] IBS Instituto Brasileiro de Siderurgia. URL: [8] Ramachandran, V. S. Concrete Admixtures Handbook Properties, Science and Technology 1277

7 UTILIZATION OF EAF DUST AS ADDITION TO CONCRETE ABSTRACT The solid wastes recycling has been increasing mainly to obtain alternative materials for building industry, such as the blast furnace slag and the rice ash (used as addition in the cement), the construction and demolition waste and the granite cut powder (used as aggregates). However, some wastes (EAF dust, for example) are aggressive to both, human beings and environment, because they are composed by harmful chemical elements such as lead, zinc and chromium. In present work, an alternative to recycle the EAF dust is showed. EAF dust is a waste retained in dust filter system of steel industries during the steel making process. Concrete mechanical and environmental performance were evaluated; the samples had EAF dust addition in rate of 10%, 15%, 20% e 25%, about cement mass. Preliminary results show that the addition of 15 % of EAF dust increases the compressive strength in 69,2 % whereas the addition of 20 % increases this strength in 81,2 %. Besides, it was noted a retard of the setting time in the samples containing more than 10 % of EAF dust in their composition. Keywords: EAF dust; waste; concrete; addition AGRADECIMENTOS FAPESB Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado da Bahia CNPq Conselho Nacional de Desenvol vimento Científico e Tecnológico UFBA Universidade Federal da Bahia DCTM Departamento de Ciência e Tecnologia dos Materiais RECICLAR - BAHIA / DCTM / UFBA 1278