ESTUDO DE VIABILIDADE DA UTILIZAÇÃO DE RESÍDUOS CERÂMICOS DE CONSTRUÇÃO CIVIL EM BLOCOS DE SOLO-CIMENTO ATRAVÉS DE MODELAGEM DE MISTURAS

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1 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 1 ESTUDO DE VIABILIDADE DA UTILIZAÇÃO DE RESÍDUOS CERÂMICOS DE CONSTRUÇÃO CIVIL EM BLOCOS DE SOLO-CIMENTO ATRAVÉS DE MODELAGEM DE MISTURAS G.D.A. Bastos (1); I.D.A. Bastos (1); L. Fior (1); L. Hildebrand (1); M.S. de Araújo (2); J. A. Cerri (3) Alameda Prudente de Moraes, 770, ap 252, Curitiba PR CEP (1) CEFET-PR DACOC (2) CEFET-PR DAMEC/PPGEM (3) CEFET-PR - DACOC/PPGEM RESUMO O crescente volume de resíduos gerados nas etapas de construção e demolição tem acarretado sérios problemas ambientais e econômicos. Ainda, a escassez de matérias-primas naturais tem elevado o custo das mesmas, que necessitam ser transportadas de distâncias cada vez maiores. O presente estudo verificou a influência da adição de resíduos (agregado produzido a partir de blocos cerâmicos) na resistência mecânica à compressão e na absorção de água de blocos de solo-cimento (NBR /89). As composições foram definidas através de um planejamento experimental baseado em Modelagem de Misturas. As composições apresentaram valores de absorção de água acima do limite máximo definido por norma, enquanto que os valores de resistência mecânica à compressão apresentaram-se aceitáveis. Algumas composições, no entanto, apresentaram comportamento similar ao da composição de referência. A viabilidade econômica desta utilização depende somente da oferta deste tipo de agregado, disponibilizada através da instalação de usinas de reciclagem de entulho. Palavras-chave: resíduos, solo-cimento, reciclagem, viabilidade.

2 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 2 INTRODUÇÃO A par da preocupação com os aspectos ecológicos impactando no setor da Construção Civil, faz mister se buscar alternativas que se apóiem no processo de inovação tecnológica. Assim, além de dispor de características que as identifique como ambientalmente corretas, tais alternativas devem apresentar viabilidade técnica e econômica. Caso contrário, sua aplicação ficará restrita a ações isoladas de pessoas dispostas a valorizá-las. Dessa forma, busca-se avaliar a viabilidade técnica e econômica da utilização de resíduos cerâmicos de construção e demolição em blocos de solo-cimento. O ESTADO DA ARTE Resíduos de Construção e Demolição (RCD) A indústria da construção civil é a principal geradora de resíduos da economia, causando importantes impactos ambientais em todas as etapas de seu processo produtivo. É responsável pela utilização de 20 a 50% de todos os recursos naturais consumidos pela sociedade e por pelo menos 40% dos resíduos gerados na economia (7). Já segundo estudo realizado por Pinto (10) em cidades brasileiras de médio e grande porte, este número varia entre 41 a 70%. Em estudo semelhante, Zordan (12) obteve o valor de 70%. As estimativas nacionais de geração de resíduos, segundo pesquisa desenvolvida por Pinto (10), apontam para valores entre 230 a 760 kg/hab.ano, com mediana de 510 kg/hab.ano. A composição dos resíduos de construção e demolição Segundo estudos realizados por Pinto apud Zordan (12) sobre composição dos resíduos, verificou-se que cerca de 64% do material é formado por argamassa, 30% por componentes de vedação e 6% por outros materiais. Já segundo John e Agopyan (7) estes números são de 63%, 32% e 5%, respectivamente, o que denota a coerência entre os números. O solo-cimento e os resíduos de construção e demolição O aspecto técnico: O uso do agregado cerâmico reciclado em tijolos de solo

3 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 3 estabilizado com cimento é uma solução em que o resíduo é aproveitado pelo próprio setor que o produz. Além disso, as características de material inerte do resíduo podem contribuir significativamente para a correção granulométrica do solo. Dessa forma, o agregado cerâmico reciclado pode se tornar uma fonte de matériaprima mais barata e de qualidade para a construção civil (9). O aspecto ambiental: O que se tem percebido na maioria dos processos produtivos de materiais é uma crescente escassez de matérias-primas. Analisando exclusivamente sob o ponto de vista econômico-financeiro, a redução da oferta necessariamente eleva os custos de obtenção das mesmas. Ainda, devido ao esgotamento das fontes de recursos naturais próximos aos centros consumidores, as matérias-primas devem ser transportadas por distâncias cada vez maiores, elevando o custo de transporte e, conseqüentemente, de obtenção do insumo. O solo-cimento, então, surge como alternativa interessante para a minimização desses efeitos. Primeiramente por seu processo produtivo demandar uma quantidade de energia inferior àquela dos processos de produção de elementos de vedação cerâmicos tradicionais. Depois, pela possibilidade de incorporação de diversos resíduos. A adição dos resíduos diminuiria o impacto ambiental da disposição destes em aterros. O aspecto econômico: A possibilidade da incorporação de resíduos pode contribuir para a redução do custo do bloco de solo-cimento. Apesar da pequena disponibilidade de informações quanto ao custo de produção do agregado reciclado, a consideração criteriosa dos insumos diretos e indiretos tem apontado para valores na ordem de 5 reais por tonelada processada (11). Estudo semelhante foi desenvolvido na tentativa de avaliar a viabilidade da implantação de uma central de reciclagem de resíduos de construção e demolição na Região Metropolitana de Curitiba (5). O custo obtido foi de R$ 15,00/m 3. Finalmente, a incorporação dos RCD nos blocos de solo-cimento possibilitaria a redução dos custos municipais de remoção e destinação destes resíduos. Valores médios obtidos por Pinto apud John e Agopyan (7), situam-se entre R$ 9,90 e R$ 11,90/habitante.ano. Critérios de dosagem de blocos de solo-cimento Diversos órgãos de pesquisa buscam estabelecer parâmetros de dosagem da

4 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 4 mistura de solo adequada (6). Percebe-se, nos diversos critérios, coerência quanto à predominância da fração arenosa sobre a argilosa e de silte. Isso porque a fração mais fina exigiria um consumo maior de cimento, para que se realizassem as ligações entre os grãos. Entretanto, faz-se necessária a utilização de partículas finas, juntamente com o material arenoso, para fornecer ao bloco recém-moldado a coesão inicial, visto que as reações de hidratação do cimento ainda não se processaram (6). Modelagem de misturas Em modelagem de misturas existem alguns tipos de planejamentos experimentais, com suas respectivas características e finalidades. Os planejamentos laterais são especialmente importantes quando se deseja conhecer o comportamento de determinada propriedade com relações a misturas binárias, mantendo-se constante o terceiro elemento. Já os planejamentos centróides surgiram na tentativa de minimizar a necessidade de inserção de pontos internos, e correspondem a uma permutação das possíveis misturas simples, binárias, ternárias, até o grau desejado. Permitem um melhor ajuste da superfície de resposta quando se avaliam pontos internos do modelo (8). Tais dados são normalmente dispostos em matrizes, para permitir futuras análises computacionais. As coordenadas dos pontos representam a proporção teórica de cada um dos elementos constituintes da mistura. Entretanto, nem sempre é fisicamente possível produzir as misturas segundo os valores máximos e mínimos de cada elemento. Assim sendo, é necessário definir limites máximos e mínimos para os teores dos componentes. Dessa forma, a matriz dos pseudocomponentes é transformada na matriz dos componentes reais, que leva em consideração as limitações físicas para execução dos ensaios. É a matriz dos componentes reais que deve ser adotada na execução do estudo experimental. MATERIAIS E METODOLOGIA Obtenção dos insumos: os materiais naturais argila (jazida própria) e saibro (aquisições) foram obtidos junto à empresa produtora de blocos de solo-cimento em Curitiba. O material reciclado foi produzido a partir de moagem de blocos cerâmicos em moinho argamassadeira tipo ANVI 500, marca ANVI, Figura I.

5 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 5 Figura I Blocos cerâmicos utilizados na produção do material reciclado e moinho argamassadeira ANVI 500 Foram produzidos diferentes agregados reciclados, obtidos com tempo de moagem de 5, 10, 15 e 20 minutos. Essas quatro amostras foram caracterizadas quanto a granulometria e massa específica para que fosse possível escolher o substituto ideal dos insumos naturais. Caracterização física dos insumos: foram realizados os ensaios de distribuição granulométrica (NBR 7217/82) (1) e massa específica (NBR 9776/87) (2) para os agregados naturais e reciclados. Definição das composições: a definição das composições também levou em conta: modelo matemático de três variáveis independentes (argila, saibro e reciclado); modelo matemático tipo simplex centróide com pontos interiores, devido à boa representatividade; composições que pudessem ser dosadas volumetricamente; adoção de uma composição de referência; Ainda, foram aplicados limites para cada componente da mistura, conforme orientação da literatura. Tais limites estão apresentados abaixo: Argila: 20% a 80% Saibro: 20% a 80% Reciclado: 00% a 80% Caracterização físico-mecânica das composições: foram realizados os ensaios de absorção de água (NBR 10836/89) (4) e resistência mecânica à compressão (NBR 10836/89) dos blocos produzidos. Para este ensaio foram formados lotes de 5 blocos por composição, ensaiados aos sete dias. Os blocos foram capeados com pasta de cimento e rompidos em prensa universal DL 3000 EMIC. Análise computacional dos dados: geração de superfícies de resposta para as propriedades de resistência mecânica à compressão e absorção de água com

6 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 6 auxílio do software STATISTICA (versão ). Análise de impacto financeiro: comparação dos custos produtivos atuais da empresa com aqueles relativos ao material reciclado. Visto que não haveria alterações no processo produtivo, as mudanças nos custos finais para as outras composições restringiram-se ao custo do material reciclado. Como estimativa inicial, adotou-se o valor de R$15,00/m 3 de material reciclado (5). RESULTADOS E DISCUSSÃO Caracterização física dos insumos: as Figuras II e III abaixo mostram os resultados dos ensaios de distribuição granulométrica e massa específica. 100,0% FRAÇÃO RETIDA ACUMULADA (%) 90,0% 80,0% 70,0% 60,0% 50,0% 40,0% 30,0% 20,0% 10,0% 0,0% 5min 10min 15min 20min ARGILA SAIBRO 4, 2, 1, 0, 0, 0,1 0,075FUND ABERTURA DA PENEIRA (mm) Figura II Distribuição granulométrica dos materiais reciclados e naturais MASSA ESPECÍFICA (g/cm³) 2,800 2,600 2,400 2,200 2,000 1,800 1,600 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 2,635 2,057 2,030 ARGILA SAIBRO 5min AMOSTRA 2,500 2,544 2,547 10min 15min 20min Figura III Massa específica dos materiais reciclados e naturais O agregado reciclado adotado, devido ao comportamento semelhante ao do

7 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 7 saibro (material a ser substituído) da curva de distribuição granulométrica, ao valor similar de massa específica e menor custo energético de produção foi o material com moagem de 5 minutos. Definição das composições: as composições estão apresentadas na Tabela I e Figura IV, nas quais as coordenadas representam a proporção de cada componente. Tabela I Matriz de componentes reais Traço Argila Saibro Reciclado 1 0,800 0,200 0, ,200 0,800 0, ,200 0,200 0, ,500 0,500 0, ,500 0,200 0, ,200 0,500 0, ,400 0,400 0, ,600 0,300 0, ,300 0,600 0, ,300 0,300 0,400 ARGILA SAIBRO Figura IV Planejamento de componentes reais Caracterização físico-mecânica das composições: os resultados dos ensaios de resistência mecânica à compressão e de absorção de água estão apresentados abaixo, Tabela II. Tabela II Ensaios de resistência mecânica à compressão e absorção de água Composição Tensão Média 2,745 3,281 3,092 2,595 2,100 2,750 2,428 2,657 3,077 1,881 (MPa) Desvio padrão 0,320 0,437 0,428 0,478 0,258 0,199 0,194 0,313 0,112 0,172 (MPa) Absorção Média (%) 22,57 19,77 29,57 25,82 19,54 24,86 27,67 25,00 24,30 29,95 Desvio padrão 2,48 2,78 0,42 0,42 2,05 2,26 2,37 1,57 0,94 0,74 (%) Segundo a norma NBR 10834/89 (3), estariam reprovadas as composições 5, 7 e 10, segundo o critério de resistência. Com relação à absorção de água, todas as composições estariam reprovadas, pois apresentaram valores de absorção de água superiores aos limites prescritos. Avaliando-se os dados percebe-se que não é possível estabelecer uma relação direta entre os valores de resistência mecânica à compressão e absorção de água, O resultado pode ser explicado, muito provavelmente, sob a ótica da porosidade.

8 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 8 Devem ser considerados não somente os vazios intergranulares, resultantes do empacotamento, mas também os vazios intragranulares, inerentes a cada um dos componentes da mistura, vazios estes que também contribuem para a absorção. De maneira bastante simplificada, pode-se observar que as composições que continham as maiores proporções de agregado reciclado (3 e 10) foram aquelas que apresentaram os maiores valores de absorção, servindo como evidência da potencial absorção inerente ao material reciclado. Análise computacional dos dados: Os dados referentes aos modelos das respostas de resistência mecânica à compressão e absorção de água estão apresentados na Tabela III abaixo. Tabela III Avaliação dos Parâmetros dos Modelos para a Resposta de Resistência Mecânica à Compressão e Absorção de Água Modelo Resistência Mecânica à Compressão Absorção de Água R 2 R 2 F p R 2 R 2 F p ajustado ajustado Linear 0,28 0,08 1,38 0,31 0,33 0,13 1,69 0,25 Quadrático 0,71 0,34 1,93 0,27 0,77 0,49 2,62 0,19 Cúbico 0,71 0,14 0,07 0,81 0,92 0,76 5,45 0,10 Especial Cúbico Completo 0,99* 0,99* 1759,10* 0,02* 0,99 0,92 4,33 0,32 Para a resposta de resistência mecânica à compressão, o modelo cúbico completo apresenta elevados valores de R 2 e R 2 ajustado, denotando grande adequação às respostas obtidas, valor de F bastante elevado e valor de p inferior a 5%. Assim, esse último é o modelo mais adequado ao problema, Figura V. 1,8 2,4 3 3,6 acima above RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO R²=0,9999; Raj=0,9993 MODELO CÚBICO COMPLETO Pareto Chart, Standardized Pseudo-Comps; Variable: RES 3 Factor mixture design; Mixture total=1,, 10 Runs DV: RESIST; MS Residual=, (B)SAIBRO (C) (A)ARGILA AC(A-C) AC AB(A-B) BC ABC AB p=,05 59, , , ,05-28,7788 8, Effect Estimate (Absolute Value) 276, , ,

9 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 9 Figura V Resposta: resistência mecânica à compressão modelo cúbico completo A superfície de resposta de resistência mecânica à compressão apresentou região de máximo bastante caracterizada em composições com predominância de saibro, o que vem ao encontro das recomendações de literatura. O diagrama de Pareto acima representado, Figura V, mostra a contribuição de cada termo da equação para a resposta obtida. Percebe-se que os elementos isolados A, B e C são aqueles que mais contribuem para a resposta, com destaque para o saibro e o material reciclado. Já para a resposta de absorção de água, apesar dos valores inferiores, mas ainda elevados de R 2, pode-se afirmar, devido aos parâmetros F e p, que o modelo cúbico especial é o mais adequado, Figura VI. 0,18 0,21 0,24 0,27 0,3 acima above ABSORÇÃO DE ÁGUA R²=0,9193; Raj=0,7578 MODELO CÚBICO ESPECIAL Pareto Chart, Standardized Pseudo-Comps; Variable: ABS 3 Factor mixture design; Mixture total=1,, 10 Runs DV: ABS; MS Residual=, (C) (A)ARGILA (B)SAIBRO AC ABC AB BC p=,05-2,8727 2, ,035045, Effect Estimate (Absolute Value) 13, , , Figura VI Resposta de absorção de água modelo cúbico especial O diagrama de Pareto acima representado, Figura VI, mostra a contribuição de cada termo da equação para a resposta obtida. Percebe-se que somente os termos referentes aos componentes puros possuem contribuição significativa para a resposta de absorção de água. Ainda, nota-se que o componente reciclado é aquele que mais contribui positivamente para a resposta, ou seja, uma maior concentração deste componente, isoladamente, elevaria a absorção de água. Análise de impacto financeiro: Tomando-se os custos relativos à composição comercial 4 como 100%, foram obtidos custos relativos de produção. Tabela IV Custos Relativos Totais para as Composições Propostas Composição Custo 95,34 104,66 101,21 100,00 98,27 102,94 100,40 95,65 102,53 100,01 relativo (%)

10 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 10 Projetando-se esses resultados para um período de produção anual de blocos, a adoção da composição 8 em substituição à composição 4, representaria uma economia anual de R$19,710 mil. Observa-se assim que a utilização de agregados reciclados passa a ser economicamente viável quando da oferta comercial do material, provavelmente fornecido por central de reciclagem com produção em larga escala. Somente dessa forma, os materiais reciclados chegam ao mercado com preços competitivos comparativamente aos materiais naturais. CONCLUSÃO Em função dos resultados obtidos pode-se concluir os seguintes aspectos relacionados à viabilidade técnica e econômica: - embora nenhuma das composições contendo agregado reciclado tenha atendido as prescrições das normas técnicas, algumas apresentaram valores de resistência mecânica à compressão e absorção de água próximos aos da composição referência (comercial). - a viabilidade econômica no uso de agregados cerâmicos oriundos de entulho de construção civil poderá ser obtida através da disponibilização deste material em grande escala, por meio de centrais de reciclagem. REFERÊNCIAS (1) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7217/1982: determinação da composição granulométrica dos agregados. Rio de Janeiro, (2) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 9776/1987: agregados determinação da massa específica de agregados miúdos por meio do frasco de Chapman. Rio de Janeiro, (3) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10834/1989: bloco vazado de solo-cimento. Rio de Janeiro, (4) ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 10836/1989: bloco vazado de solo-cimento determinação da resistência à compressão e da absorção de água. Rio de janeiro, (5) BASTOS, G. D.de A.; BASTOS I. D.de A.; HILDEBRAND, L. Central de

11 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 11 reciclagem de resíduos de construção e demolição estudo de viabilidade técnica e econômica. Curitiba, Trabalho de Graduação - Curso de Engenharia de Produção Civil, Departamento Acadêmico de Construção Civil, Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná. (6) CENTRO DE PESQUISAS E DESENVOLVIMENTO CEPED. Manual de construção com solo-cimento. São Paulo, ed. (7) JOHN, V. M.; AGOPYAN, V. Reciclagem de resíduos de construção. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, (8) KHURI, A. I.; CORNELL, J. A. Response surfaces designs and analyses. 2. ed., rev. and expanded. New York, (9) NEVES, C. M. M.; CARNEIRO, A. P.; COSTA, D. B. Uso do agregado reciclado em tijolos de solo estabilizado com cimento. Projeto Entulho Bom. Salvador: Edufba, (10) PINTO, T. P. Metodologia para a gestão diferenciada de resíduos sólidos da construção urbana f. Tese (Doutorado) Departamento de Engenharia de Construção Civil. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, (11) PINTO, T. P. Gestão dos resíduos de construção e demolição em áreas urbanas: da ineficácia a um modelo de gestão sustentável. Projeto Entulho Bom. Salvador: Edufba, (12) ZORDAN, S. E. A utilização do entulho como agregado na confecção de concreto. Campinas Dissertação. Departamento de Saneamento e Meio Ambiente da Faculdade de Engenharia Civil, Universidade Estadual de Campinas UNICAMP. Dissertação (Mestrado), p.

12 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 12 FEASIBILITY OF USAGE OF CONSTRUCTION CERAMIC WASTE IN SOIL- CEMENT BRICKS ABSTRACT The increasing volume of waste produced in the stages of construction has brought environmental and economic problems. Yet, the natural resources shortage has raised the costs of these resources. This research verified the influence of the usage of waste (aggregate produced from ceramic bricks) in the compression strength e water absorption of soil-cement bricks (NBR /89). The mixtures were designed according to an Experimental Mixture Design. The strength results came to be acceptable, while the water absorption results were not approved by the legislation. They were similar to the reference design (with no recycled material) though. The economic feasibility depends on the offer of this material, provided by recycling plants. Key-words: waste, soil-cement, recycling, feasibility.