resíduos e materiais de construção betão produzido com agregados de vidro reciclado: desempenho mecânico

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1 26_ 30 resíduos e materiais de construção betão produzido com agregados de vidro reciclado: desempenho mecânico O estudo aqui apresentado tem como objectivo caracterizar o desempenho mecânico de betões com dife-rentes composições de vidro (5%, 10% e 20% do volume total de agregados) e analisar a influência das dimensões dos agregados (finos, grossos e ambos) nesse mesmo desempenho. A utilização de vidro como agregado é uma alternativa ambiental ao seu depósito em aterro, reduzindo o consumo de recursos naturais e de espaço ocupado por aterros. Os agregados foram estudados ao nível da massa volúmica e abrasão, por ensaio de Los Angeles. No betão fresco, foi analisada a trabalhabilidade e a massa volúmica. O betão endurecido foi testado à compressão, tracção por compressão diametral e por flexão, módulo de elasticidade e desgaste por abrasão. Conclui-se que a incorporação de agregados de vidro em betões leva a uma diminuição geral do desempenho mecânico, ainda que não significativa para percentagens de incorporação de vidro até 10% do volume dos agregados naturais, com excepção da resistência à abrasão em que existe uma melhoria. Verificou-se um melhor desempenho nos betões com agregados grossos de vidro, seguidos dos betões com agregados finos de vidro e, por fim, os betões com incorporação simultânea de agregados grossos e finos de vidro. Diogo Serpa Mestre em Engenharia Civil pelo Instituto Superior Técnico Jorge de Brito Professor Catedrático, Instituto Superior Técnico Jorge Pontes Bolseiro de Investigação, Instituto Superior Técnico 1. INTRODUÇÃO O tratamento e eliminação dos resíduos, a limitação à utilização de aterros e o consumo excessivo de matérias-primas são problemas crescentes. As Nações Unidas estimavam a produção anual de resíduos na ordem das 200 milhões de toneladas, sendo que destes 7% são vidro [1]. Em Portugal, de acordo com dados estatísticos do INE, cada português produziu 470 kg de resíduos urbanos por ano durante , sendo que, em resíduos de vidro, o valor mais alto registou-se no ano de 2008 com um total de toneladas; por outro lado, durante o ano de 2009, consumiu-se um total de 374,7 milhões de euros de produtos fabricados com vidro. Em Portugal, durante o período de 1999 a 2005, somente 30% do vidro foi reciclado, sendo que 70% foi levado a aterro [2]. São produzidas anualmente, no Reino Unido, 29,1 milhões de to- neladas de resíduos, sendo que 4,2% corresponde a vidro [3]. Também Taiwan produzia toneladas de vidro, sendo parte desse oriundo da produção de vidro para LCD s que, devido ao seu tratamento químico, não pode ser levado a aterro [4][5][6]. Toda esta situação se traduz num acréscimo no consumo energético, visto que o vidro é produzido a altas temperaturas, e nos impactes ambientais, devido ao consumo de matérias-primas e ocupação de espaço por aterros, aspectos que é premente melhorar. À semelhança de outros resíduos (plásticos [7][8]; borracha [9][10]; betão [11][12]; cerâmicos), o vidro pode ser utilizado para incorporação no betão, substituindo agregados naturais e diminuindo desta forma os impactes ambientais associados quer às pedreiras quer aos aterros de resíduos sólidos. Este estudo pretende verificar a aplicabilidade de resíduos de vidro como agregados em betões de modo a colmatar o problema ambiental que é a eliminação destes. Os aspectos inovadores estão associados à utilização de uma curva granulométrica exacta, calculada de acordo com o método de Faury, assim como a determinação da evolução de diferentes características da resistência mecânica (compressão, tracção por compressão diametral e por flexão, módulo de elasticidade e resistência ao desgaste) ao longo do tempo, para diferentes famílias de dimensões de agregado e diferentes percentagens de substituição, e a comparação entre estas. Pretende-se com este trabalho eliminar ou confirmar resultados relativos às propriedades presentes em trabalhos publicados, assim como apresentar novos dados que possam trazer melhor entendimento sobre as propriedades do betão com agregados reciclados de vidro. Este trabalho é complementar de um outro [15] que analisa o desempenho em termos de durabilidade de betões do mesmo tipo. 26_cm

2 2. MATERIAIS Na campanha, foram utilizados agregados naturais (AN) e agregados reciclados de vidro (ARV). Os AN utilizados foram brita e areia calcária de rio. O vidro foi obtido de empresas de fabrico de vidro para construção e automóveis. Para a produção do betão, foi usado cimento tipo II A-L 42,5 R e água da rede. 3. COMPOSIÇÃO DAS MISTURAS DE BETÃO Segundo a NP EN 206-1, foi produzido o betão de referência (BR) de modo a ter uma resistência à compressão, medida em cubos, de 44 MPa, e uma trabalhabilidade dentro da gama de valores de abaixamento de 125 ± 10 mm. Segundo a mesma norma, esta resistência corresponde a um betão da classe C30/37 (resistência aos 28 dias de 30 MPa) em cilindros com diâmetro de 15 cm ou de 37 MPa força em cubos com arestas de 15 cm. As proporções volumétricas dos agregados estão presentes na Tabela 1. Os ARV foram incorporados no betão por substituição em proporção volumétrica dos AN. As substituições foram realizadas de acordo com os tamanhos dos agregados (isto é, mantendo a curva granulométrica constante em todas as betonagens) e produziu-se um total de dez misturas de betão. As percentagens de substituição foram determinadas para o volume total de agregados (finos e grossos) nas razões de 5, 10 e 20% (Tabela 2). Relativamente ao tamanho das partículas, a substituição foi realizada com ARV finos apenas, grossos apenas e finos e grossos em simultâneo. As partículas finas são constituídas pelo material que passa no peneiro de malha 4 mm, sendo as partículas grossas constituídas pelo material que passa no peneiro de malha 22,4 mm para os AN e no peneiro de 11,2 mm para os ARV e que fica retido no peneiro de malha 4 mm. A diferença entre a dimensão máxima dos AN e a dos AV deve-se ao facto de não existirem agregados disponíveis de dimensões maiores no vidro em volume suficiente para satisfazer os requisitos, mas substituiu-se a 100% todas as granulometrias entre 4 e 11,2 mm (daí que a composição B20G corresponda em rigor a 19,60% e não a 20%). GROSSOS FINOS Intervalo entre peneiro (in) (mm) Tabela 1 Composição do betão de referência. Material retido [%] Volumes (ft 3 /ft 3 ) (m 3 /m 3 ) 1,24-1,77 (31,5-45) 0,0 0,0000 0,88-1,24 (22,4-31,5) 0,0 0,0000 0,63-0,88 (16-22,4) 17,8 0,1202 0,44-0,63 (11,2-16) 17,7 0,1195 0,31-0,44(8-11,2) 6,8 0,0459 0,22-0,31 (5,6-8) 6,8 0,0459 0,16-0,22 (4-5,6) 6,0 0,0405 0,08-0,16 (2-4) 11,1 0,0750 0,04-0,8 (1-2) 9,6 0,0648 0,02-0,04 (0,5-1) 6,0 0,0405 0,01-0,02 (0,25-0,5) 14,2 0,0959 0,005-0,01 (0,125-0,25) 4,0 0,0270 0,002-0,005 (0,063-0,125) 0,0 0, ,002 (0-0,063) 0,0 0,0000 Cimento 0,1148 Água 0,1925 Volume de vazios 0,0174 Volume total 1,0000 Identificação BR B05G B10G B20G B05F B10F B20F B05FG B10FG B20FG substituídos finos substituídos grossos substituídos Relação a/c efectiva 0,00 5,00 10,00 19,6 5,00 10,00 20,00 5,00 10,00 20,00 0,00 0,00 0,00 0,00 11,14 22,27 44,54 5,57 11,14 22,27 0,00 9,07 18,15 35,57 0,00 0,00 0,00 4,54 9,07 18,15 0,55 0,55 0,55 0,55 0,55 0,57 0,58 0,55 0,55 0,57 Tabela 2 Características principais dos betões produzidos. Todas as substituições foram feitas de forma proporcional entre cada dimensão dos agregados, de modo a não afectar a distribuição granulométrica e assim esta ser, em todas as composições, idêntica à do BR. Finalmente, de modo a se manter a mesma trabalhabilidade (abaixamento dentro dos limites aceitáveis), foi necessário recorrer ao ajustamento da relação a/c. 4. PREPARAÇÃO DOS PROVETES DE ENSAIO Na produção de betão, seguiu-se a seguinte sequência: a betoneira foi pré-molhada e o material foi inserido na seguinte ordem: agregados grossos, agregados finos, metade da água, cimento e a restante água. Foram necessários 3 minutos de mistura para esta ficar homogénea e 5 minutos de betonagem total. Todos os moldes foram lubrificados com óleo descofrante, sendo o betão colocado nos moldes e vibrado. Após 24 h, os provetes foram desmoldados e colocados nas condições de cura preconizadas para cada tipo de ensaio. 5. ENSAIOS AOS AGREGADOS Os agregados foram caracterizados de acordo com os seguintes ensaios e normas tendo-se obtido os resultados da Tabela 3: análise granulométrica NP EN 933-1:2000 e NP EN 933-2:1999; cm_27

3 resíduos e materiais de construção massa volúmica e absorção de água NP EN :2003; massa volúmica aparente NP EN :2008 (só grossos); índice de forma NP EN 933-4:2008 (só grossos); d e s g a s te d e L o s A n g e l e s L NE C E237:1970 (só grossos). 7. ENSAIOS AO BETÃO ENDURECIDO O betão, no estado endurecido e após cura, foi submetido aos seguintes ensaios e correspondentes normas: resistência à compressão aos 7, 28, 56 e 91 dias NP EN :2009 (resultados na Figura 3); resistência à tracção por compressão diametral NP EN :2003 (resultados na Figura 4); resistência à tracção por flexão NP EN :2009 (resultados na Figura 5); módulo de elasticidade LNEC E 397:1993 (resultados na Figura 6); resistência à abrasão DIN 52108:2002 (resultados na Figura 7). 6. ENSAIOS AO BETÃO FRESCO O betão, no estado fresco, foi sujeito aos seguintes ensaios e correspondentes normas tendo-se obtido os resultados da Figuras 1 e 2: ensaio de abaixamento (cone de Abrams) NP EN :2009; massa volúmica NP EN : COMPARAÇÃO DE RESULTADOS Para se determinar possíveis modelos matemáticos que possam modelar o comportamento mecânico dos betões estudados, e sendo a resistência à compressão aos 28 dias o comportamento mecânico mais estudado, comparou-se esta com o módulo de elasticidade e a resistência à tracção por compressão diametral e por flexão. Os resultados obtidos estão descriminados nas Figuras 8 a 10. Areia Brita Fina Grossa Vidro Vidro 4,76-9,5 9,5-19,0 9,5-38,1 Material impermeável (kg 3 /m) 2687,5 2624,0 2526,3 25,17,3 2749, ,5 Partículas secas (kg 3 /m) 2587, ,5 2515,2 2657,9 2646,3 2648,9 Partículas secas com superfície saturada (kg 3 /m) 2589,3 2623,3 2525,2 2516,0 2692,4 2679,8 2674,3 Absorção de água [%] 0,07 0,01 0,03 0,03 1,22 1,29 0,97 Baridade (kg 3 /m) 1500,0 1543,0 1353,7 1353,7 1438,3 1424,9 1426,2 Los Angeles [%] 38,37 34,16 30,84 31,92 Índice de forma [%] 30,5 18,6 17,9 10,2 Tabela 3 Resultados dos ensaios aos agregados. 160,0 2380,0 Abaixamento [mm] 150,0 140,0 130,0 120,0 110,0 100,0 G Limite pretendido Limite pretendido Limite aceitável Limite aceitável Massa Volúmica [kg/m 3 ] 2360,0 2340,0 2320,0 2300,0 G 90, ,0 > 1 > 2 > Figura 1: Resultados do ensaio de abaixamento em função da taxa de substituição. > Figura 2: Resultados do ensaio de abaixamento em função da taxa de substituição. 28_cm

4 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25, B05G B10G B20G B05F B10F B20F B05FG B10FG B20FG Resistência tracção [%BR] 105,0% 95,0% 90,0% 85,0% 75,0% 70,0% 65,0% G Tempo [dias] > 3 > 4 105,0% Resistência flexão [%BR] 95,0% 90,0% 85,0% 75,0% 70,0% G Módulo de elasticidade [%BR] 60,0% 40,0% 20,0% G 65,0% 0,0% > 5 > 6 120% Desgaste por abrasão [%BR] 110% 100% 90% 80% 70% 60% > 7 9. CONCLUSÕES Foi efectuado um programa experimental para estudar a aplicabilidade de agregados de vidro reciclado como substitutos de agregados naturais até a uma percentagem de 20% na produção de betões. Conclui-se que: a resistência à compressão é mais afectada pelos agregados finos do que pelos grossos; no entanto, este factor pode ser minimizado com a aplicação de superplastificantes para manter a mesma trabalhabilidade e a mesma relação a/c para todas as misturas; na resistência à tracção (por compressão diametral e por flexão), verifica-se que os agregados finos conduzem a piores resultados, podendo este facto ser também colmatado recorrendo a super-plastificante em vez de aumentar a relação a/c, nas situações em que se pretende manter a trabalhabilidade; relativamente ao módulo de elasticidade, não se regista variação assinalável, mantendo-se relativamente constante para as diferentes taxas de substituição. No entanto, os agregados finos são os que apresentam piores resultados; > Figura 3: Resistência à compressão ao longo do tempo. > Figura 4: Resistência à tracção por compressão diametral dos betões de agregado de vidro (BAV) relativamente ao BR em função da taxa de substituição. > Figura 5: Resistência à tracção por flexão dos BAV relativamente ao BR em função da taxa de substituição. > Figura 6: Módulo de elasticidade dos BAV relativamente ao BR em função da taxa de substituição. > Figura 7: Desgaste por abrasão dos BAV relativamente ao BR em função da taxa de substituição. cm_29

5 resíduos e materiais de construção Resistência à tracção por compressão diametral [MPa] 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 RC vs RT y = 0,2203x 0,7 R 2 = 0,4086 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 RTvsRC RTvsRC Park EN 1992 Resistência à tracção [MPa] 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 RC vs RF y = 0,0323x 1,3376 R 2 = 0,8699 0,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 RFvsRC RFvsRC Park > 8 > 9 Módulo de elastiscidade [GPa] RC vs ME y = 15,465x 0,2354 R 2 = MEvsRC MEvsRC Kou EN 1992 > 10 existe uma melhoria nos resultados da resistência à abrasão para as misturas com agregados grossos de vidro (AGV), obtendo-se os valores máximos para a mistura com 10% de substituição de AGV; quando comparados os diferentes comportamentos entre si e quando comparados com a EN :2004, pode-se concluir que há viabilidade na substituição de agregados naturais por agregados de vidro. Assim, a aplicação deste tipo de agregados pode ser feita, mas deve-se ter em conta a tendência geral de decréscimo do comportamento mecânico. Quando se aplicar betões com este tipo de agregados, é preferível recorrer a AGV. No entanto, caso se queira aplicar agregados grossos e finos de vidro ou mesmo agregados finos de vidro, deve-se recorrer a superplastificantes para que a trabalhabilidade seja mantida para a mesma relação a/c e assim não prejudique o comportamento mecânico dos betões. 10. REFERÊNCIAS [1] Topçu, I. B.; Canbaz, M.; Properties of concrete containing waste glass, Cement and Concrete Research, 34 (2), 2004, pp [2] Oliveira, L.; Gomes, J. e Santos, P.; Avaliação de desempenho da substituição de areia natural por areia de resíduos de vidro em betões estruturais, BE Encontro Nacional Betão Estrutural 2008, [3] Al-Sibahy, A.; Edwards. R.; Mechanical and thermal properties of novel lightweight concrete mixtures containing recycled glass and metakaolin, Construction and Building materials, 31, 2012, pp [4] Wang, H. Y.; Huang, W. L.; A study on the properties of fresh self-consolidating glass concrete (SCGC), Construction and Building Materials, 24 (4), 2010, pp [5] Wang, H. Y. A study on the effects of LCD glass and on the properties of concrete, Waste Management, 29 (1), 2009, pp [6] Su, N; Chen, J. S.; Engineering properties of asphalt concrete made with recycled glass, Resources, Conservation and recycling, 35 (4), 2002, pp [7] Ferreira, L.; Brito, J. de; Saikia, N.; Influence of curing conditions on the mechanical performance of concrete containing recycled plastic aggregate, Construction and Building Materials, 36, 2012, p [8] Silva, R.; Brito, J. de; Saikia, N.: Influence of curing conditions on the durability-related performance of concrete made with selected plastic waste aggregates, Cement and Concrete Composites (aceite para publicação). [9] Bravo, M.; Brito, J. de; Concrete made with used tyre aggregates: Durability-Related Performance, Journal of Cleaner Production, 25 (4), UK, pp [10] Valadares, F.; Bravo, M.; Brito, J. de; Concrete with used tyre rubber: Mechanical performance, ACI Materials Journal, 109 (3), 2012, pp [11] Evangelista, L.; Brito, J. de; Mechanical behaviour of concrete made with fine recycled concrete aggregates, Cement and Concrete Composites, 29 (5), 2007, pp [12] Evangelista, L.; de Brito, J.; Durability performance of concrete made with fine recycled concrete aggregates, Cement & Concrete Composites, 32 (1), 2010, pp [13] De Brito, J.; Pereira, A. S.; Correia, J.; Mechanical behaviour of non-structural concrete made with recycled ceramic aggregates, Cement and Concrete Composites, 27 (4), 2005, pp [14] Correia, J.; Brito, J. de; Pereira, A. S.: Effects on concrete durability of using re-cycled ceramic aggregates, Materials and Structures, 39 (2), 2006, pp [15] Castro. S. de; Brito, J. de; Evaluation of the durability of concrete made with crushed glass aggregates, Journal of Cleaner Production (submetido para publicação). [16] Park, S. B.; Lee, B. C.; Kim, J. H.; Studies on mechanical properties of concrete containing waste glass aggregate, Cement and Concrete Research, 34 (12), 2004, pp [17] Kou, S. C.; Poon, C. S.; Properties of self-compacting concrete prepared with recycled glass aggregates, Cement and Concrete Composites, 31 (2), 2009, pp > Figura 8: Resistência à tracção por compressão diametral versus resistência à compressão aos 28 dias. > Figura 9: Resistência à tracção por flexão versus resistência à compressão aos 28 dias. > Figura 10: Módulo de elasticidade versus resistência à compressão aos 28 dias. 30_cm * Por opção dos autores, o artigo é redigido de acordo com a antiga ortografia.