Mateus Justino da Silva ELEMENTOS DE CONCRETO PARA PAVIMENTAÇÃO PRODUZIDOS COM AGREGADOS DE ESCÓRIA DE ACIARIA. Dissertação de Mestrado

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1 Mateus Justino da Silva ELEMENTOS DE CONCRETO PARA PAVIMENTAÇÃO PRODUZIDOS COM AGREGADOS DE ESCÓRIA DE ACIARIA Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil do CEFET-MG como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Dr. Ricardo André Fiorotti Peixoto Co-orientador: Prof. Dr. Flávio Renato de Góes Padula Belo Horizonte, 08 de agosto de 2011

2 S586e Silva, Mateus Justino da Elementos de concreto para pavimentação produzidos com agregados de escória de aciaria / Mateus Justino da Silva. Belo Horizonte, f. : il. Dissertação (mestrado) Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais. Orientador: Ricardo André Fiorotti Peixoto. Bibliografia 1. Construção civil. 2.Pavimentos de concreto. 3. Resíduos Siderurgia. I. Peixoto, Ricardo André Fiorotti. II. Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais. III. Título CDD Elaboração da ficha catalográfica pela Biblioteca-Campus II / CEFET-MG ii

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4 Dedico este trabalho a minha companheira, parceira, amiga e esposa, Janaína Aparecida Barbosa. iv

5 A maior recompensa para o trabalho do homem não é o que se ganha, mas o que ele nos torna. John Ruskin v

6 Agradecimentos Ao nosso Senhor Jesus Cristo, por tudo que eu tenho na vida. O Senhor é minha luz, esperança, fé e proteção da minha vida. Ao meu orientador, Prof. Dr. Ricardo André Fiorotti Peixoto, por suas valiosas contribuições, pela amizade, profissionalismo que tanto contribuiu para a minha formação. Aos meus pais, que são meus eternos ídolos, que tanto lutaram para que eu pudesse buscar novos horizontes, ensinando-me que na vida somos como as águas, para todos os obstáculos existentes, sempre há um jeito de contorná-los. À minha esposa Janaína Aparecida Barbosa pelos 10 anos que estamos caminhando e lutando juntos por dias melhores, a cada dia é mais um desafio que encontramos, e graças a Deus sempre conseguimos unir forças para nos dedicar, lutar e vencer. Esta é mais uma vitória que dedico a você por tudo que tem feito por mim, e ter você a meu lado é meu maior orgulho e dizer que você é minha esposa, sempre com novos olhares para o futuro, sempre querendo dar mais um passo a frente. Aos professores do Departamento de Engenharia Civil (DEC) e da pósgraduação, de uma forma direta ou indiretamente, todos contribuíram para a concretização desta pesquisa, fico muito grato de poder fazer parte deste departamento. Ao colega de trabalho e amigo, Técnico do laboratório do Departamento de Engenharia Civil (DEC), Leandro da Silva de Souza pela amizade, apoio técnico, companheirismo, profissionalismo e inestimável ajuda sem a qual este trabalho não seria concretizado. Aos meus colegas de trabalho, Servidores do Departamento de Engenharia Civil (DEC), Rodrigo, Fernanda, Luciano e José Mário, por todo esse tempo vi

7 de convivência e trabalho, por tudo que colaboram para a concretização deste trabalho. À minha amiga e colega de trabalho, professora M. Sc. Suzana Maria Zatti Lima pelo companheirismo e amizade nesse período de longa caminhada, na qual lutamos juntos para que chegássemos até o fim, alcançando os nossos objetivos. À minha amiga, Dra. Adriana Zatti Lima pelo companheirismo, amizade e conselhos no qual contribuíram muito para a minha vida e por tudo que conversamos minha eterna gratidão. Ao professor M. Sc. Eduardo de Oliveira do Departamento de Engenharia Civil (DEC), pela nossa amizade e convivência do dia a dia e contribuição para o meu trabalho. Aos meus amigos Ronaldo, Tatá, Reinaldo, Carlos Augusto, Eduardo Nakaniski, Denise Urashima, Suelly Helena, Ana Lucia, Ivan, Alfredo e Geraldo, que mesmo distante contribuíram para a minha pesquisa. Ao professor Augusto Cesar da Silva Bezerra do CEFET-MG - Campus Araxá, que mesmo distante sempre deu as suas valiosas contribuições, pelo apoio companheirismo, profissionalismo, que tanto contribuiu para a minha pesquisa. Ao Grupo de Pesquisa Reciclos/CNPQ, especialmente aos integrantes, Kerry, Thiago, Douglas e Igor, as suas importantes contribuições, apoio técnico, companheirismo e profissionalismo. Aos colegas de mestrado Júnia, Dayse, João Maurício, Mariana, Hugo, Viviane, Tatiana, Luiz Delgado, Gelmo, Sandro, Samir e Vidigal. Ao professor Joel Romano e toda a sua equipe técnica do Departamento de Engenharia de Materiais (DEM) do CEFET-MG, que se dedicaram na vii

8 fabricação de alguns acessórios para a realização dos experimentos. Ao Engenheiro Sandro Almada da empresa Arcelor Mittal, pelo fornecimento das escórias de aciaria para realização da minha pesquisa. Aos Engenheiros Bráulio e Cláudio da empresa Ciclometal da cidade de Itaúna, pelo apoio no processamento dos agregados que foram utilizados na produção dos elementos para realização de toda a pesquisa. Ao Engenheiro José Eli e toda a sua equipe, da empresa Unistein da cidade de Pedro Leopoldo, pelo apoio técnico na produção dos elementos para realização dos meus experimentos. viii

9 Resumo Neste trabalho foi estudado o uso de escória de aciaria como agregado para a produção de elementos de concreto para pavimentação. Para isso, foram coletadas quatro amostras de escória de aciaria em quatro usinas siderúrgicas situadas na região sudeste do Brasil. As escórias foram processadas através de separação magnética, estabilizadas e inertização em pátio de estocagem. Após a estabilização e inertização das escórias, estas foram separadas e classificadas por peneiramento. Após a separação em faixas granulométricas, as escórias foram caracterizadas por determinação da umidade, do teor de material ferroso, da granulométrica, da massa específica, da massa unitária e do teor de material pulverulento. Com a escória caracterizada foram fabricados elementos de concreto para pavimentação (EPC) com a substituição total dos agregados graúdos convencionais por agregados graúdos produzidos com a escória de aciaria, com dosagem para obter a resistência à compressão de 35 MPa. Os elementos moldados foram ensaiados a resistência à compressão e à tração na flexão e os resultados encontrados foram compatíveis e superiores aos resultados dos elementos de referência e mostram a viabilidade de utilização de escória de aciaria como agregados graúdos. Os elementos também foram caracterizados físico-químico e ambientalmente pelos ensaios de absorção de água, índice de vazios, massa específica, lixiviação e solubilização. Os resultados encontrados da análise física, química e ambiental foram satisfatórios e quando comparados com os resultados obtidos para os elementos produzidos com agregados naturais foram equivalentes ou superiores. O presente trabalho concluiu que a utilização de escória de aciaria para a produção de agregado para elementos de concreto para pavimentação é viável e de interesse técnico e ambiental. Palavras Chave Construção civil, pavimentos de concreto, escória de aciaria, construção de estradas, reciclagem, sustentabilidade. ix

10 Abstract This study investigated the use of steel slag as aggregate for the production of parts for concrete paving. For this, four samples were collected from steel slag in four steel mills located in southeastern Brazil. The steel slag were processed through magnetic separation, stabilization and inertization in storage yard. After stabilization and inertization, the steel slag were separated and classified by sieving. After the separation by particle sizes, the slag was characterized by determining the moisture content of ferrous material, the particle size, the density, the content of powdery material. The slag pieces were made of concrete paving (CFP) with the partial replacement of fine aggregates and coarse aggregates produced by conventional with steel slag, a dosage to obtain the compressive strength of 35 MPa. The molded parts were tested at compressive strength and tensile strength in bending and the results were consistent and superior results to the reference blocks and show the feasibility of using steel slag as aggregates. The pieces were also characterized physical-chemical and environmentally for the tests of water absorption, void ratio, density, solubility and leaching. The results of physical analysis, chemical and environmental safety were satisfactory and compared the results obtained for the parts produced with natural aggregates were equivalent or higher. This study concluded that the use of steel slag for production of aggregate for concrete paving parts is feasible and interesting technical, financial, economic and environmental. Keywords Construction, concrete pavement, steel slag, road construction, recycling, sustainability. x

11 SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... xv LISTA DE TABELAS... xix LISTA DE SÍMBOLOS... xxi LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS... xxiv 1 INTRODUÇÃO Objetivo Objetivo geral Objetivos específicos Justificativa REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Pavimentos Pavimentos flexíveis Pavimentos rígidos Pavimentos semi-rígidos ou semi-flexíveis Elementos de concreto para pavimentação Propriedades dos elementos de concreto para pavimentação xi

12 2.3. Escória de Aciaria Expansibilidade da escória de aciaria Aplicações em engenharia Agregados de escória de aciaria Classificação de resíduos sólidos MATERIAIS E MÉTODOS Aquisição dos materiais Métodos Caracterização da escória Determinação do teor de constituintes metálicos ferrosos Determinação do teor de umidade Análise granulométrica Determinação da massa unitária Determinação de massa especifica Determinação do teor de material pulverulento Dosagem do traço dos elementos para pavimentação Moldagem e cura dos elementos para pavimentação Determinação das propriedades físicas e mecânicas dos xii

13 elementos de concreto para pavimentação Determinação da absorção de água Determinação dos índices de vazios Determinação das massas especificas Determinação da expansibilidade Determinação da uniformidade Determinação da resistência à compressão Determinação da resistência à tração na flexão Determinação da lixiviação e solubilização RESULTADOS E DISCUSSÃO Caracterização dos materiais Caracterização dos elementos de concreto para pavimentação CONCLUSÃO SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS Relatórios dos ensaios de lixiviação e de solubilização dos elementos de concreto para pavimentação xiii

14 9 APÊNDICE Caracterização das amostras e resultados dos elementos de concreto para pavimentação xiv

15 LISTA DE FIGURAS Figura Cargas aplicadas em um pavimento (SANTANA, 1993)... 7 Figura Seção transversal típica de um pavimento flexível (Adaptado de MARQUES, 2002)... 8 Figura Seção transversal típica de um pavimento rígido (Adaptado de MARQUES, 2002)... 9 Figura Elementos de concreto para pavimentação (MAKIS, 2010) Figura Estruturas típicas de um pavimento de ECP (HALLACK, 1998) Figura Pavimento pré-moldado de concreto, em São José dos Campos - SP Figura Esquema da produção de ferro-gusa e processos de produção do aço, com suas respectivas etapas de geração de escória (Adaptado de MASUERO, 2001) Figura Fluxograma do programa experimental Figura Armazenagem das amostras de escória de aciaria Figura Ensaio de Teor de metais da escória de aciaria Figura Ensaio de massa unitária da escória de aciaria Figura Ensaio de massa específica de escória de aciaria Figura Ensaio de material pulverulento da escória de aciaria xv

16 Figura Limites ideais para fabricação de elementos de concreto para pavimentação Figura Abastecimento de materiais na vibroprensa utilizada na fabricação de elementos para pavimentação, Pedro Leopoldo (MG) Figura Vibroprensa utilizada na fabricação de elementos para pavimentação, Pedro Leopoldo (MG) Figura Elementos de concreto para pavimentação com idade zero foi acondicionados sobre paletes no pátio da empresa Unistein Pedro Leopoldo (MG) Figura Aparato de pesagem hidrostática Figura Elementos preparada para o ensaio de expansibilidade Figura Realização das medidas de expansibilidade Figura Ensaio de resistência à compressão das elementos de concreto para pavimentação Figura Equipamento e dispositivo de ensaio de resistência à tração na flexão Figura Resultado do teor de umidade dos agregados naturais e reciclados da escória de aciaria Figura Resultados do teor de materiais metálicos ferrosos dos agregados reciclados escória de aciaria Figura Análise granulométrica dos agregados utilizadas Figura Resultado da massa unitária dos agregados naturais e reciclados xvi

17 da escória de aciaria Figura Variação da massa unitária dos agregados de aciaria em relação aos agregados naturais Figura Resultado da massa específica do agregado natural e reciclado de escória de aciaria Figura Variação da massa específica dos agregados de aciaria em relação aos agregados naturais Figura Resultado do material pulverulento do agregado natural e reciclado de escória de aciaria Figura Percentual do material pulverulento dos agregados de aciaria em relação aos agregados naturais Figura Absorção de água dos elementos de concreto para pavimentação Figura Absorção da água dos ECP com agregados de aciaria em relação aos EPC com agregados naturais Figura Índices de vazios dos elementos de concreto para pavimentação Figura Índices de vazios dos ECP com agregados de aciaria em relação aos ECP com agregados naturais Figura Massa especifica seca dos elementos de concreto para pavimentação Figura Massas especificas secas dos ECP com agregados de aciaria em relação às ECP com agregados naturais xvii

18 Figura Massa especifica saturada das elementos de concreto para pavimentação Figura Massas especificas saturadas das EPC com agregados de aciaria em relação às EPC com agregados naturais Figura Resultado da expansibilidade dos elementos de concreto para pavimentação Figura Resultados de resistência à compressão dos elementos de concreto para pavimentação Figura Resultados da resistência à flexão dos elementos de concreto para pavimentação Figura Resultados da resistência à tração x compressão simples dos elementos de concreto para pavimentação xviii

19 LISTA DE TABELAS Tabela Composição química das escórias de aciaria de conversores LD no Brasil (CASTELO BRANCO, 2004) Tabela Composição química das escórias de aciaria elétrica (GEYER et al., 1994) Tabela Produção de aço bruto por processo de refino, no Brasil (IBS, 2009 apud DINIZ 2009) Tabela Características dos elementos e compostos químicos das escórias de aciaria antes e após a hidratação (WEAST, 1971) Tabela Parâmetros que influenciam na expansão das escórias de aciaria (MACHADO, 2000) Tabela Composição química do cimento portland e de agregados convencionais (TASONG et al., 1998) Tabela Composição química de três amostras de calcário (TSIVILIS et al., 1999) Tabela Composição química de escória de aciaria (WANG e YAN, 2010) Tabela Composição química de escória de aciaria (QUARAWI et al., 2009) Tabela Propriedades físicas e químicas da brita calcária e da escoria de aciaria Tabela Propriedades físicas de agregados graúdos e miúdos de escória de aciaria (MANSO et al., 2006) xix

20 Tabela Propriedades físicas de agregados graúdos e miúdos de escória de aciaria (MANSO et al., 2006) Tabela Codificação de alguns resíduos classificados como não perigosos (ABNT, 2004) Tabela Origem e tipos de escórias utilizadas no estudo Tabela Proporções de materiais utilizados para a moldagem de EPC Tabela Peneiras utilizadas no ensaio de granulometria Tabela Fator multiplicativo p (ABNT, 1987) Tabela Coeficiente de Student: intervalo de confiança i=95% (ABNT, 1987) Tabela Caracterização do cimento portland ARI (CPV) utilizado Tabela Resultados da analise química para as amostras brutas Tabela Resultados da analise química para as amostras lixiviadas Tabela Resultados da analise química para as amostras solubilizadas xx

21 LISTA DE SÍMBOLOS % Percentual Polegadas σ 0 Tensão inicial AI 2O 3 Óxido de alumínio C Graus Celsius C Carbono CaO Óxido de cálcio CO 2 Dióxido de carbono e Espaçamento entre os pinos de expansibilidade e0 Espaçamento inicial entre os pinos de expansibilidade e3 idade Espaçamento entre os pinos de expansibilidade com 3 dias de e7 idade Espaçamento entre os pinos de expansibilidade com 7 dias de e14 de idade Espaçamento entre os pinos de expansibilidade com 14 dias e56 de idade Espaçamento entre os pinos de expansibilidade com 56 dias xxi

22 FeO Óxido de ferro FeO 3 Tri-óxido de ferro fp Resistência média dos elementos ensaiados à Ruptura fp i Resistência individual dos elementos ensaiados à Ruptura fp k Resistência característica à compressão g Grama km Quilômetros kg Quilograma m 2 Metros quadrados m 3 Metros cúbicos MgO Óxido de magnésio MnO Óxido de manganês mm Milímetro MPa Megapascal n Número de elementos da amostra Pa/s Pascal por segundo s Desvio padrão da amostra S Enxofre xxii

23 SiO 2 Dióxido de silício t Coeficiente de Student em função do tamanho da amostra xxiii

24 LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ABCP Associação Brasileira de Cimento Portland AC Acre BOF Blast Oxygen Furnace CBR California Bearing Ratio CEFET-MG Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais COPASA Companhia de Saneamento de Minas Gerais S.A. CP Corpo de prova CRCP Continuous Reinforced Concrete Pavement EAF Eletric Arc Furnace EAPP Escória de Aciaria Pós-processada ES Espírito Santo EUA Estados Unidos da América FunTAC Fundação de Tecnologia do Estado do Acre IAB Instituto Aço Brasil IBS Instituto Brasileiro de Siderurgia xxiv

25 IPR Instituto de Pesquisas Rodoviárias JEPC Jointed Plain Concrete Pavement LD Linz-Donawitz MG Minas Gerais NBR Norma Brasileira de Regulamentação nd Não determinado OH Open Heart Pn Peso natural Ps Peso Seco Paver Pavimento intertravado EPC Elementos de concreto para pavimentação PPC Peças Pré-moldadas de Concreto PVC Polyvinyl Chloride RJ Rio de Janeiro S Sul SE Sudeste SP São Paulo xxv

26 1 INTRODUÇÃO A indústria da construção civil é responsável por 50% do consumo dos recursos naturais do planeta (JOHN, 2000). A aplicação de resíduos na construção civil é um fato consagrado, tendo em vista as tendências de sustentabilidade idealizada mundialmente (HENDRIKS et al., 2000). Conforme NETINGER et al. (2011) por séculos escórias de alto forno e de aciaria foram usados para as mais variadas finalidades. Os primeiros relatos referem-se a Aristóteles, que notou que escórias tinha sido usado como um medicamento em 350 ac (GEISELER e VAITTINEN, 2002). Hoje em dia, no entanto, elas são na sua maioria usadas na construção; como agente aglutinante (MOTZ, 2002; HRN EN 197-1, 2005), como um ligante independente (COLLINS e SANJAYAN, 1998; COLLINS e SANJAYAN, 1999; LECOMTE et al., 2006; MELO NETO et al., 2008; BAKHAREV et al., 2002), como material de construção para estruturas hidráulicas (JOOST, 2002), como um material para estabilização de solo na construção de estradas, como um material para leitos de estradas ou como um agregado em misturas asfálticas (GEISELER e VAITTINEN, 2002; DUNSTER, 2002; EMERY, 1984 apud NETINGER et al., 2011). O emprego da escória de alto-forno na indústria cimenteira existe a mais de 100 anos, onde os primeiros relatos publicados foram a partir do ano de 1862, quando Eugene Langen demonstrou que escórias básicas moídas e misturadas com a cal hidratada davam lugar a um material, que não alcançava as qualidades do cimento Portland, mas que superava os sistemas que utilizavam somente cal como ligante. Esta descoberta foi de fundamental importância e contribuição para a reciclagem desse co-produto, pois só no Brasil 93,3% da produção total das escórias de alto-forno são empregadas pela indústria cimenteira para obtenção do cimento portland tipo-ii composto com escória CP II E - 32 (LIMA, 1999 apud BALTAZAR 2001). Segundo LEITE (1997) apud BALTAZAR (2001), a escória de aciaria é resultante da transformação do ferro gusa líquido e/ou sucata em aço. Em essência, trata- 1

27 se de uma oxidação seletiva de várias impurezas. Essa transformação é resultante de fundentes, principalmente óxido de cálcio e fluorita, à carga metálica (gusa liquido e/ou sucata) para a formação da escória. A fusão e o refino da carga se processam através das reações de oxidação das impurezas do aço, tais como silício, fósforo, enxofre, manganês e através da redução do teor de carbono. Segundo DINIZ (2009), no Brasil a geração de escória de aciaria foi de 3,2 milhões de toneladas no ano de 2007, sendo 68% deste total provenientes do processo LD e 32% oriundos do processo das aciarias elétricas. Os dados apresentados não incluem os programas de expansão das siderúrgicas brasileiras, iniciados em 2008, e caso fossem considerados este valor estimado seria de 6,8 milhões de toneladas em 2009, de acordo com o Instituto Brasileiro de Siderurgia (IBS, 2007). Atualmente, parte dessa produção é utilizada na construção civil, mas, para isso ocorrer à escória de aciaria precisa passar por um processo de estabilização de no mínimo seis meses, com o objetivo de transformá-la menos reativa quimicamente. BALTAZAR (2001) ressalta que 44% da geração de escória de aciaria são estabilizadas nos pátios de disposição das siderúrgicas e são aplicadas como agregados na construção de infra-estrutura rodoviária, estabilização granulométrica de bases e sub-bases e como lastro em vias de transporte ferroviário; e 56% de toda a geração são estocadas, formando um passivo ambiental de 1,8 milhões de toneladas a cada ano. O estudo da viabilidade para utilização do resíduo sólido de siderurgia, em especial, a escória de aciaria, como agregados para construção civil ou ainda como matéria prima em processos de engenharia, está condicionada à qualidade do material, à suas características físicas, químicas e ambientais, além do custo de reciclagem, que deve ser igual ou inferior ao passivo total para descartá-lo adequadamente. 2

28 Na concepção de SILVA e MENDONÇA (2001), desde 1979, a escória de aciaria é utilizada na infraestrutura de estradas em países como Estados Unidos da América (EUA), Inglaterra, Japão e Canadá. BALTAZAR (2001) complementou que no Brasil este uso teve início em 1986 com a execução de 100 km de base e sub-base no Estado do Espírito Santo (ES). Países como Grã-Bretanha, Alemanha, Polônia, França, Japão, EUA e Rússia utilizam escória de aciaria, sozinha ou combinada, como agregado em revestimentos asfálticos. SILVA e MENDONÇA (2001) relatam que pavimentos construídos com este material suportaram tráfego pesado. O estudo da viabilidade técnico-econômica da reciclagem de um determinado resíduo pressupõe, basicamente, as etapas de levantamento de dados sobre a disponibilidade do resíduo; caracterização quanto à composição química; identificação das propriedades físicas, químicas e mecânicas, microestrutura e reatividade ambiental; seleção de possíveis aplicações; e identificação das propriedades do produto final, informações de grande relevância, que pode indicar aspectos de interesse tanto para geradores quanto para consumidores Objetivo Objetivo geral Este trabalho teve como objetivo geral a produção de elementos de concreto para pavimentação a partir da substituição total do agregado graúdo natural por escória de aciaria Objetivos específicos Entre os objetivos específicos deste trabalho destacamos: 3

29 - caracterização física dos agregados naturais para produção de elementos de concreto para pavimentação; - produção de agregados artificiais a partir do pós processamento de escórias de aciaria nas misturas de diferentes siderúrgicas; - caracterização física, química e ambiental dos agregados artificiais para produção de elementos de concreto para pavimentação comparativamente os agregados naturais; - determinação de dosagens otimizadas para produção de elementos de concreto para pavimentação a partir da substituição parcial de agregados naturais por agregados artificiais (escória de aciaria). - avaliação do comportamento mecânico dos elementos de concreto para pavimentação produzidos com substituição parcial de agregados naturais por agregados artificiais (escória de aciaria), comparativamente com aqueles produzidos com agregados naturais. - avaliação dos parâmetros relacionados a geometria estabilidade dimensional, absorção e porosidade de elementos de concreto para pavimentação produzidos com substituição parcial de agregados naturais por agregados artificiais (escória de aciaria), comparativamente com aqueles produzidos com agregados naturais. - determinação do potencial contaminante ambiental das elementos de concreto para pavimentação produzidas integralmente com agregados artificiais (escória de aciaria) comparativamente elementos produzidas com agregados naturais. - classificar ambientalmente as elementos produzidas com agregados de escória de aciaria e agregados naturais. 4

30 Justificativa A sociedade brasileira tem sofrido grandes transformações nos últimos tempos, investimentos públicos e privados tem impulsionado a indústria e o comércio, e contribuído para o desenvolvimento social. Tendo esse panorama favorável podemos citar o aumento na produção de aço no Brasil em 2011 de 7,4% em relação a 2010 e distribuição de renda ocorrida devido aos programas governamentais para habitação e infra-estrutura. Todo esse crescimento das demandas relacionadas à geração de resíduos pela siderurgia e dos impactos na obras de infra-estrutura e construção civil, aliado a crescente necessidade de ações que estimulam o crescimento econômico de forma sustentável é que se propõe a produção de elementos de concreto para pavimentação quais possam incorporar resíduos sólidos de siderurgias em sua matriz, evitando exploração de recursos naturais e aumento de rejeitos. Acredita-se que esse produto ainda contribuirá para a produção de vias de acesso modulares de alta durabilidade, segurança e baixo custo de manutenção. 5

31 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Pavimentos MEDINA (1997) define pavimento como sendo uma estrutura de múltiplas camadas de espessuras finitas, construída sobre a superfície final de terraplenagem, destinada técnica e economicamente a resistir aos esforços oriundos do tráfego de veículos e do clima, e a propiciar aos usuários melhoria nas condições de rolamento, com conforto, economia e segurança. Na concepção de SANTANA (1993), pavimento é uma estrutura sobre a superfície obtida pelos serviços de terraplanagem com a função principal de fornecer ao usuário segurança e conforto, obtidos sob o ponto de vista da engenharia, com a máxima qualidade e o mínimo custo. Enquanto, SOUZA (1980) entende por pavimento uma estrutura construída após a terraplanagem por meio de camadas de vários materiais de diferentes características de resistência e deformabilidade. Esta estrutura, assim constituída, apresenta um elevado grau de complexidade no que se refere ao cálculo das tensões e das deformações. Nesse sentido, adota-se para este estudo a conceitualização de SOUZA (1980) visto que há uma descrição minuciosa do assentamento dos elementos prémoldados em diferentes dimensões. Em consonância com a NBR 7207 (ABNT, 2002), defini dentre as principais funções de um pavimento: resistir e distribuir ao subleito os esforços verticais; melhorar as condições de rolamento quanto à comodidade e à segurança; 6

32 resistir aos esforços horizontais tornando, mais durável possível, a superfície de rolamento. Quando um pavimento é solicitado por uma carga de veículo Q, que se desloca sobre o revestimento com uma velocidade V, fica sujeito a uma tensão normal na direção vertical σ 0 (de compressão) e uma tensão cisalhante na direção horizontal τ 0 (de cisalhamento), como apontado na Figura 2.1. Figura 2.1- Cargas aplicadas em um pavimento (SANTANA, 1993) As variadas camadas componentes da estrutura do pavimento possuem a função de diluir a tensão vertical aplicada na superfície para que o subleito receba uma parcela muito inferior desta tensão vertical. A tensão horizontal aplicada na superfície exige que o revestimento possua uma coesão mínima para suportar a parcela do esforço de cisalhamento (SANTANA, 1993). Tradicionalmente, os pavimentos são classificados em Pavimentos flexíveis, pavimentos rígidos, pavimentos semi rígidos ou semi flexíveis. A seguir são apresentados os tipos de pavimentos. 7

33 Pavimentos flexíveis Os pavimentos flexíveis são constituídos por camadas que trabalham muito ruim à tração, quando comparadas às dos pavimentos rígidos (MARQUES, 2002). Todas as camadas sofrem deformações elásticas significativas, sob um carregamento aplicado e a carga é distribuída em parcelas equivalentes entre suas camadas (PINTO e PREUSSLER, 2002). Na Figura 2.2 é apresentada uma seção transversal típica de um pavimento flexível. Figura 2.2- Seção transversal típica de um pavimento flexível (Adaptado de MARQUES, 2002) Segundo SHACKEL (1990), os pavimentos intertravados constituídos de elementos de concreto podem ser considerados pavimentos flexíveis, devido às características que se assemelham às dos pavimentos asfálticos, como: distribuição de cargas, deflexão, entre outras Pavimentos rígidos Para PEIXOTO e PADULA (2008), o pavimento rígido é constituído por uma placa de concreto de cimento Portland que desempenha papel de revestimento e 8

34 base ao mesmo tempo e sub-base que é a camada empregada com o objetivo de melhorar a capacidade de suporte do subleito. Muitas vezes a sub-base é chamada de base, e não se menciona a sub-base para o pavimento. Ainda segundo os autores, que por causa da alta rigidez do concreto, a placa distribui o carregamento para uma maior área de solo, quando comparado ao pavimento flexível. Portanto, a maior parte da capacidade estrutural é provida pela própria placa de concreto, ao contrário de pavimentos flexíveis, em que a capacidade estrutural é atingida por camadas de sub-base, base e revestimento. Mediante a importância da placa de concreto no pavimento rígido, a resistência do concreto é o fator mais importante no projeto, principalmente a resistência à tração. Pequenas variações na sub-base ou subleito têm pouca influência na capacidade estrutural do pavimento. As sub-bases podem ser flexíveis estabilizadas granulometricamente ou utilizando-se macadame hidráulico ou semi-rígidas estabilizadas com cimento, cal ou betume (PEIXOTO e PADULA, 2008). Um exemplo de seção característica de pavimento de concreto pode ser visto na Figura 2.3. Figura Seção transversal típica de um pavimento rígido (Adaptado de MARQUES, 2002) 9

35 Pavimentos semi-rígidos ou semi-flexíveis MARQUES (2002) sustenta que os pavimentos semi-rígidos podem ser considerados uma situação intermediária entre os pavimentos rígidos e flexíveis. É o caso dos pavimentos constituídos, nas camadas de base e ou sub-base, por misturas de solo-cimento, solo-cal, solo-betume, entre outras, que venham a apresentar uma razoável resistência à tração Elementos de concreto para pavimentação Blocos intertravados de concreto, também chamados de elementos prémoldadas de concreto, foram desenvolvidos, na Holanda, como um substituto para blocos de tijolo de barro. Em 1980, a produção anual ultrapassava 45 milhões de metros quadrados, sendo 66% desse total aplicado em vias de tráfego urbano. No final da década de 1990 chegou à impressionante marca de produção de 100m² por segundo durante os dias úteis de trabalho (SMITH, 2003). Os pavimentos intertravados são aqueles em que a camada de revestimento é constituída por elementos pré-moldados de concreto (PPC). Uma técnica moderna que resulta de uma evolução de procedimentos dos quais se encontram relatos há 25 séculos, com a colocação de pedras justapostas em seu estado natural. As primeiras pré-moldadas de concreto foram fabricadas no final do século XIX e algumas patentes foram registradas antes da primeira guerra mundial (MÜLLER, 2005). Também são chamadas de Pavers ou elementos pré-moldadas de concreto (PPC), chamada neste trabalho de elementos de concreto para pavimentação (EPC) segundo nomenclatura usada pela NBR 9780 (ABNT, 1987), ilustradas na Figura 2.4. Esse pavimento é bastante utilizado em: ciclovias, calçadas, estacionamentos, jardins, parques, praças, vias urbanas, pátios, depósitos, galpões industriais, estradas, acostamentos entre outros (FIORITI, 2010). 10

36 Figura 2.4- Elementos de concreto para pavimentação (MAKIS, 2010) MÜLLER (2005) observa que as EPC foram reconhecidas pela melhor uniformidade, visto que os elementos aparados e por, obviamente, não necessitarem de reapareamento antes do assentamento final como acontecia com as pedras naturais. Na ótica de HALLACK (1998), a camada de revestimento composta por EPC é a superfície de desgaste e cumpre, ainda, uma importante função estrutural. Estabelece a condição de rolamento (conforto ao usuário), a durabilidade do pavimento e contribui decisivamente para a função estrutural do pavimento (distribuição de tensões) por meio de suas características de intertravamento, além de suportar as tensões cisalhantes superficiais de contato das rodas dos veículos. Complementa o autor, dizendo que a capacidade de distribuição dos esforços da camada de revestimento depende essencialmente de sua espessura, formato e arranjo. Assim, compreende-se que a resistência à compressão individual dos elementos possui pouca influência neste aspecto. 11

37 Desde a década de 1980, com a disponibilidade de equipamentos de grande produtividade, a indústria de pavimentos intertravados de concreto cresce em grandes proporções em todo o mundo. O que era material utilizado apenas em áreas para proporcionar melhores efeitos arquitetônicos ou paisagísticos, começou a dar lugar a um material versátil que possibilita a harmonização com qualquer tipo de ambiente, inclusive o rodoviário e o industrial, estética e estruturalmente (SMITH, 2003). O mesmo autor citado anteriormente expõe que a cada cinco anos nos EUA dobra-se a quantidade em metros quadrados de pavimentos que aplicam esta técnica e afirmou que em 2005 foram utilizados mais de sessenta milhões de metros quadrados nesse país. A estrutura típica de um pavimento formada pelas camadas constituintes de um pavimento de EPC é apresentada na Figura 2.5. Figura 2.5- Estruturas típicas de um pavimento de ECP (HALLACK, 1998) A capa de rolamento é formada por ECP, que compõem um revestimento de grande durabilidade e resistência, assentadas sobre uma camada delgada de areia. Este revestimento deve ser capaz de suportar as cargas e as tensões provocadas pelo tráfego protegendo a camada de base do desgaste por abrasão 12

38 e a mantendo com baixos níveis de umidade permitindo melhor estabilidade do material constituinte, em consonância com a Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP, 1999) e HALLACK (1998). A camada de base recebe as tensões distribuídas pela camada de revestimento. Sua principal função é a de resistir e distribuir os esforços ao subleito, evitando as deformações permanentes e a consequente deterioração do pavimento. Os estudos, realizados por KNAPTON (1976), demonstram que a camada de base deve ser uma camada pouco permeável, ou impermeável, para evitar a penetração da água e a prematura deterioração do subleito. Nesse sentido, as camadas constituintes da estrutura de um pavimento intertravado possuem a função de distribuir a tensão normal vertical aplicada na superfície, de tal maneira que o subleito receba uma parcela muito inferior desta tensão o que caracteriza um pavimento flexível. Segundo CRUZ (2003), alguns outros materiais começam a serem empregados no projeto e na execução de pavimentos de EPC, como os geotêxteis. Eles possuem a finalidade de proteger as camadas inferiores da infiltração de água, evitar o bombeamento de finos e conter a fuga de materiais em áreas próximas às contenções laterais, como: meio fios, drenos, caixas de serventia, entre outros. Os elementos de concreto para pavimentação são utilizados na pavimentação das ruas do campus universitário da Universidade do Vale do Paraíba (Univap), localizado no bairro Urbanova na cidade de São José dos campos (SP), ilustrada na Figura 2.6. Estão sendo utilizadas desde o ano de 1992, por pedestres, carros de passeio e ônibus escolares, com aproximadamente m 2 foi utilizadas (EPC), de 8 cm de altura com resistência à compressão de 35 MPa, o pavimento com 19 anos de utilização se encontra com ótimo aspecto visual e estado de conservação, fácil manutenção, menor redução no escoamento da água superficial. 13

39 Figura 2.6- Pavimento pré-moldado de concreto, em São José dos Campos - SP Propriedades dos elementos de concreto para pavimentação Para CRUZ (2003), no que se refere às especificações de resistências mecânicas é a interpretação dos resultados, não existe consenso sobre os métodos de ensaios utilizados, tipos de equipamentos, corpos de prova (peça inteira, cilindros, cubos serrados), condições de umidade da amostra a ser ensaiada (saturada com superfície seca, seca em ambiente natural, seca em estufa), idade de ensaio e número de corpos de prova que deve ter cada amostra. Para que os pavimentos tenham durabilidade é necessário o controle tecnológico dos EPC esteja relacionado com a resistência à abrasão e à capacidade de suportar ciclos de gelo e degelo nos países de clima frio. Assim, as especificações internacionais de durabilidade são norteadas pelas condições climáticas, incluindo ou não resistência aos ciclos de gelo/degelo (CRUZ, 2003). 14

40 Evidencia SIMIELI et al. (2007), com o passar do tempo, mediante a utilização e a distribuição das cargas, o pavimento foi adquirindo e melhorando a sua forma estrutural com o travamento dos EPC, elementos pré-moldadas de concreto chamadas de intertravamento (lock up). A resistência é calculada de acordo com a NBR 9781 (ABNT, 1987b) e é estimada à compressão dos elementos conforme NBR 9780 (ABNT, 1987a) que deve ser de 35 MPa para as solicitações de veículos comerciais de linha ou 50 MPa, quando houver tráfego de veículos especiais ou solicitações capazes de produzir acentuados efeitos de abrasão (SIMIELI, 2007). Foi relatado por SHACKEL (1990 apud CRUZ, 2003), que entre as décadas de 1970 e 1980, independentemente do tipo de clima do país, ou mesmo da resistência das EPC, será indispensável realizar os ensaios de abrasão, para garantir a qualidade do pavimento que será executado Escória de Aciaria A escória de aciaria é um subproduto siderúrgico formado por óxidos básicos, resultantes da oxidação de elementos presentes na carga metálica decide no sopro ou adição de fundentes e fluentes, que não estarão presentes na composição do aço. Os tipos e quantidades dos óxidos presentes na escória de aciaria dependem do tipo de matéria prima utilizada, do tipo do aço que se pretende obter, e até mesmo do tipo de forno e de seu revestimento (NASCIMENTO, 2007). Na Europa, cerca de 12 milhões de toneladas de escória de aciaria é produzido anualmente (MOTZ e GEISELER, 2000). Este material tem sido considerado um excelente material artificial prima para a produção de agregado para diversas aplicações em engenharia civil. A escória de aciaria é resultante da transformação do ferro gusa líquido e/ou sucata em aço. Em essência, trata-se de uma oxidação seletiva de várias impurezas. Essa transformação é obtida pela oxidação de alguns elementos no 15

41 banho com oxigênio, mediante a adição de fundentes, principalmente, óxido de cálcio e fluorita, à carga metálica (gusa líquido e/ou sucata) para a formação da escória. A fusão e o refino da carga se processam por reações de oxidação das impurezas do aço, como: silício, fósforo, enxofre, manganês, Blast Oxygen Furnace (BOF) e Eletric Arc Furnace (EAF). A função da escória siderúrgica são agregar as impurezas do processo separando-as do banho. As escórias podem ser resultantes de diversos processos metalúrgicos, por exemplo, de ferro, aço, níquel, manganês, cromo, cobre, entre outros. Os diversos tipos de escória têm funções semelhantes, porém, variam extremamente nas suas propriedades químicas e físicas (BALTAZAR, 2001). A Tabela 2.1 e a Tabela 2.2 apresentam a composição química básica das escórias de aciaria produzidas pelos conversores LD no Brasil e escórias de aciaria elétrica em alguns países do mundo, respectivamente. Tabela 2.1- Composição química das escórias de aciaria de conversores LD no Brasil (IBS, 1998 apud CASTELO BRANCO, 2004). Composto Brasil (%) CaO 6-45 SiO Al2O3 1-4 FeO 8-30 MgO 1-9 MnO 3-7 S - 16

42 Tabela Composição química das escórias de aciaria elétrica (GEYER et al., 1994). Composto Brasil (%) EUA (%) Japão (%) Itália (%) Alemanha (%) CaO SiO Al2O FeO MgO MnO S - 0,2 0,06 0,1 0,1 P2O5-0,6-0,9 1,4 Quanto ao processo de refino, a fabricação do aço pode ser dividida em 3 grandes grupos: LD (Linz-Donawitz) ou BOF (Blast Oxygen Furnace) que utiliza o conversor a oxigênio, elétrico, EAF (Eletric Arc Furnace) que utiliza o forno de arco elétrico e OH (Open Heart) que utiliza o forno Siemens-Martin. A produção do aço no Brasil, é cerca de 80% pelo processo LD e cerca de 20% pelo processo que utiliza forno arco elétrico e apenas 1,9% pelo forno Siemens- Martin. A Tabela 2.3, extraída do Instituto Brasileiro de Siderurgia, apresenta a produção do aço bruto no Brasil dividido pelo processo de refino. Tabela Produção de aço bruto por processo de refino, no Brasil (IBS, 2009 apud DINIZ 2009). Processo de Aciaria 10 6 toneladas Forno de Refino Oxigênio (LD / BOF) 43,8 Conversor a Oxigênio Elétrico (EAF) 29,8 Forno de Arco Elétrico As escórias de aciaria, tanto de alto forno quanto elétrica, depois de beneficiadas tornam-se agregados siderúrgicos. Estes agregados são definidos, pelo IBS (1998), como material não metálico e podem ser classificados como agregado bruto, graduado de alto forno oriundo da escória de alto forno ou como agregado graduado de aciaria derivado da escória de aciaria elétrica. Representa-se, na Figura 2.7, o circuito da geração de resíduos na aciaria elétrica (EAF) e na aciaria a oxigênio (LD). 17

43 Minério + Fundente + Carvão Escória de alto = forno SUCATA FERRO-GUSA Sucata + Gusa Líquido* Gusa Líquido + Sucata* Escória oxidante de aciaria elétrica FORNO ELÉTRICO A ARCO CONVERSOR LD Escória de Aciaria LD Escória redutora de aciaria elétrica FORNO PANELA Carga Q AÇO PARA LINGOTAMENTO Figura 2.7- Esquema da produção de ferro-gusa e processos de produção do aço, com suas respectivas etapas de geração de escória (Adaptado de MASUERO, 2001) Após a saída do forno a escória é resfriada e britada. Posterior a britagem, por meio de correias rolantes, a escória é separada por bitolas. No processo este resíduo passa por um eletroímã que separa a escória rica em ferro que poderá voltar para o forno (POLESE, 2007). Como descrito pelo autor, existem basicamente três métodos de resfriamento da escória: ao ar, controlado com água e brusco com água ou ar. O primeiro é mais utilizado em escórias de aciaria, e o último para escórias de alto forno. Ao ser resfriada, a escória sofre um choque térmico, uma fragmentação dos seus blocos, gerando um material denominado escória bruta de aciaria, cuja granulometria varia entre 0 (zero) e 500mm. A Companhia Siderúrgica de Tubarão experimenta vários processos de resfriamento, como: ultralento, lento, rápido e ultrarápido. A escória separada por 18

44 bitolas tem outras utilizações, como a indústria da construção civil ou fertilizante e corretivo de solo (POLESE, 2007). Em 2009, das 27 usinas produtoras de aço das empresas associadas, 23 já tinham obtido a certificação de seus sistemas de gestão ambiental pela norma ISO14001 e outras duas estavam em processo de certificação. Essas usinas foram responsáveis por mais de 99% da produção de aço bruto do setor no período (IAB, 2010). As empresas do setor investiram mais de R$ 778 milhões, ao longo de 2009, em melhoria ambiental de processos relacionados com a produção e operação das suas usinas. Esse investimento foi feito em ações de modernização e manutenção de sistemas de controle e tratamento ambiental dos processos produtivos, como sistemas de desempoeiramento, monitores para chaminés e gestão de resíduos, efluentes, entre outros (IAB, 2010). Além do valor investido em ações relacionadas com a produção e operação, as empresas do setor destinaram, no ano, mais R$ 389,4 milhões para ações externas voltadas ao meio ambiente, como programas de educação ambiental, gestão de áreas verdes e preservação e recuperação ambiental de áreas externas (IAB, 2010). Há um esforço contínuo das empresas para reduzir o consumo das diferentes matérias-primas e estabelecer processos cada vez mais eficientes. Tais iniciativas costumam trazer resultados significativos, tanto do ponto de vista econômico, reduzindo custos, quanto ambiental, minimizando o uso de recursos naturais não renováveis e os impactos sobre a natureza (IAB, 2010). Conforme IAB (2010), dentre as iniciativas para melhor aproveitamento de materiais estão: reciclagem da sucata gerada interna e externamente - sucatas de retorno, de processo e de obsolescência. 19

45 reutilização de resíduos e co-produtos gerados no processo - escórias, carepas, finos, pós, lamas das estações de tratamento de efluentes, entre outros. reaproveitamento dos gases do alto forno, aciaria e coqueria, para geração de energia. Um dos mais importantes campos de aplicação da escória de aciaria é o seu emprego como agregado na pavimentação rodoviária. Neste contexto, a escória de aciaria é utilizada como infraestrutura de pavimentos, porém, problemas relacionados com a sua expansão e a sua estabilização, além de práticas inadequadas de uso que implicam em restrições quanto à sua utilização (RAPOSO, 2005). A adoção do reuso por parte de uma empresa ajuda a preservar os recursos naturais, reduz a destruição da paisagem, contribui para a melhoria da saúde e segurança da população em geral e de seus trabalhadores, prolonga o ciclo de vida dos materiais e, com isso, diminui o consumo de recursos naturais não renováveis, conservando o meio ambiente e evitando a exaustão de certas reservas naturais (ALVES, 2007) Expansibilidade da escória de aciaria A hidratação do óxido de cálcio de livre (CaO) e do óxido de magnésio livre / periclásio (MgO) é o principal responsável pelas características expansivas das escórias de aciaria. Contudo, a porcentagem dos elementos e compostos presentes na composição química das escórias de aciaria varia em virtude do processo que foram submetidas: conversores de oxigênio LD e fornos elétricos a arco (MACHADO, 2000). A Tabela 2.4 apresenta as variações ocorridas nas escórias de aciaria antes e após a hidratação dos seus principais elementos e compostos constituintes. 20

46 Tabela Características dos elementos e compostos químicos das escórias de aciaria antes e após a hidratação (WEAST, 1971). Fórmula Nome Densidade (g/cm³) Massa Molar (g/mol) Volume Molar (cm³/mol) Variação de volume (%) MgO Perciclásio 3,58 40,31 11,26 Em relação ao MgO Mg(OH)2 Brucita 2,36 58,33 24,72 119,5 CaO Cal 3,38 56,08 16,59 Em relação ao CaO Ca(OH)2 Portlandita 2,24 74,09 33,08 99,40 CaCO3 Calcita Argonita 2,93 2,71 100,09 100,09 34,16 36,93 105,90 122,60 CaCO3. MgCO3 Dolomita 2,87 184,41 64,25 287,30 Fe 0 Ferro (metálico) 7,86 55,85 7,11 Em relação ao Fe FeO Wustita 5,70 71,85 12,61 77,40 Fe2O3 Hematita 5,24 159,69 30,48 328,70 Fe(OH)2 Hidróxido de Ferro 3,40 89,86 26,43 271,17 FeO(OH) Goetita 4,28 88,85 20,76 192,00 O aumento considerável de volume dos elementos em relação às dimensões originais seja por meio de hidratação, carbonatação (CaCO 3 e CaCO 3.MgCO 3) ou oxidação (FeO e Fe 2O 3) acarreta a expansão destrutiva das escórias de aciaria. Uma forma indireta de avaliar a presença de Fe 0 é por meio do ensaio de teor de metais ferrosos, que consiste em passar o material em um separador magnético e avaliar o percentual de material que ficou retido no separador. Os metais ferrosos são aqueles que contêm elevados percentuais de ferro na forma metálica, esses materiais são magnetizáveis, sendo atraídos por imas. Os principais representantes dos metais ferrosos são os aços e os ferros fundidos. 21

47 A expansibilidade das escórias de aciaria representa um agravante para sua aplicação em razão da variação volumétrica dos elementos e compostos constituintes, entretanto, estudiosos acreditam que a adoção de critérios que estipulam valores limite destes poderiam ser usados como parâmetro de classificação, visto que experimentos práticos demonstram instabilidade dimensional apenas para determinados teores (MACHADO, 2000). A Tabela 2.5 apresenta os principais parâmetros que influenciam na expansão das escórias de aciaria. Tabela Parâmetros que influenciam na expansão das escórias de aciaria (MACHADO, 2000). Elementos e Compostos químicos Cão e MgO Fe 0 C2S Parâmetros que influenciam na expansão Teor dos elementos no estado livre; Umidade; Temperatura; Teor de CO2; Tamanho dos grãos de escória. Teor de Fe 0 ; Umidade; Tempo de exposição ao ar; Teor de oxigênio no resfriamento; Tamanho dos grãos de escória. Velocidade de resfriamento; Impurezas iônicas; Temperatura de resfriamento; Basicidade das escórias. Mecanismos Hidratação Oxidação Transformação alotrópica Sabe-se que estabilização da escória de aciaria está diretamente associada à formação de produtos estáveis. Ademais, os compostos formados são volumetricamente estáveis, em razão do tempo de estocagem, do grau de exposição do material à umidade, da temperatura e do teor de CO 2. Deste modo, para minimizar a expansibilidade das escórias de aciaria é importante que o material esteja sujeito às condições que permitam, no decorrer do tempo, a hidratação ou carbonatação completa de todos os elementos e compostos químicos constituintes (MACHADO, 2000). Segundo SEKI et al. (1986) citado por MACHADO (2000) as escórias de aciaria quando expostas à ação das intempéries, estabilizam-se num período mínimo de 3 meses. 22

48 Aplicações em engenharia Para HENDRIKS et al. (2007), reutilização e não é fenômeno novo. Os rejeitos de materiais começaram a ser usados em construções na Holanda, em Durante esse período, entulho e escória eram processados como agregados, no então, chamado de concreto de brita, usado para a construção de edifícios residenciais, embora em escala limitada. Rejeitos de materiais eram também reutilizados em outros países. Em Avesta (Suécia), por exemplo, ainda há um forno de rocha de escória de aço que data de Salienta o autor que, uma das aplicações mais comuns das escórias de refino, após a estabilização da expansão, é como agregado em obras de engenharia civil podendo-se citar, do ponto de vista de estradas, o seu emprego em ferrovias, como lastro e sublastro, em rodovias, como serviços de pavimentação e infraestrutura. Pode-se referir, também, ao seu uso na contenção de encostas, na forma de gabiões, na indústria do cimento e como fonte de ferro na agricultura. JOHN (1995) considerou que a natureza expansiva da escória de aciaria e a inexistência de critério técnico de execução simples para que se possa detectar a sua estabilização têm sido os principais fatores que influenciam na durabilidade das obras de engenharia realizadas com este material. Por outro lado, poucos resultados têm sido publicados em periódicos nacionais e internacionais, nesta área, sendo este um campo aberto a investigações. GEYER (1996) verifica que o fator limitante da reutilização das escórias de aciaria é exatamente o cal livre que permanece como parte de sua matéria prima que ainda não reagiu. Neutralizar a ação deste cal ou ainda eliminá-lo da escória de forma econômica, bem como identificar um método de ensaio expedito que permita avaliar o aspecto estabilidade volumétrica das escória é um desafio a ser vencido para o melhor aproveitamento deste resíduo industrial. Em um estudo realizado na Espanha, por LIMA (1999), sobre a utilização da escória de aciaria de forno elétrico como agregado miúdo e graúdo para concreto, os resultados indicaram melhor desempenho quanto às resistências 23

49 mecânicas e aos concretos de escória em relação aos agregados convencionais. Foram realizados ensaios de durabilidade, ataque por sulfatos, carbonatação, ataques da água do mar e reação álcali-agregado. A escória de aciaria apresentou bom desempenho frente aos ensaios. SILVA (2001) investigou o desempenho do concreto produzido com agregado graúdo de escória de ferro-cromo e verificou que a relação água-cimento e a idade exercem efeitos significativos na resistência do concreto à compressão. MACHADO et al. (2002) pesquisaram o emprego das escórias de aciaria como agregados na construção civil e verificou que a expansibilidade da escória está diretamente ligada ao tamanho dos grãos. O tempo de estabilização relacionado com o tamanho das partes de escória expostas à umidade e ao CO2 na pilha de estocagem. O sucesso do uso de escória de aciaria em concreto tem sido relatada por MASLEHUDDIN et al. (2003), que descobriu que as propriedades físicas do agregado de escória de aciaria foram superiores aos dos agregados de calcário moído, e que o concreto preparado com escória de aciaria apresentou desempenho melhor do que o concreto preparado com agregados de calcário, especialmente em relação à resistência e durabilidade. Algumas tentativas foram feitas para uso de escória de aço na produção de tijolos de argila (SHIH et al, 2004). No caso mencionado, verificou-se que, quando até 10% de argila foi substituído por escória, as propriedades finais dos tijolos ainda atenderam aos requisitos da norma pertinente. Verificaram MANSO et al. (2006) que, durabilidade do concreto com escória é aceitável e menor que a durabilidade do concreto convencional. O estudo do desempenho ambiental foi realizado por meio do ensaio de lixiviação e comprovado que os efeitos de alguns elementos tóxicos presentes ficaram encapsulados no concreto. NASCIMENTO (2007) examinou o potencial para uso da escória proveniente da reciclagem do aço em concreto de cimento Portland, em substituição total aos 24

50 agregados convencionais (areia e brita) em concretos não estruturais e conclui que, estatisticamente, o desempenho dos dois concretos foi igual. STIEF (2009) pesquisou produção viga de concreto armado convencional e viga de concreto armado com escória de aciaria por extensometria, verificando a viabilidade da utilização de rejeitos da indústria siderúrgica como agregado para o concreto armado estrutural em substituição ao agregado natural, sendo comparada a deformação entre as vigas. Recentemente NETINGER et at. (2011) investigou a possibilidade de se utilizar escórias de aciaria como um agregado de concreto. Os resultados obtidos mostraram que as frações grosseiras escória são adequadas para aplicação em concreto e concluiu que as escórias podem ser um bom substituto para os agregados naturais. BASSETO e BALDO (2011) apresentaram os resultados, em substituição dos agregados naturais por agregados de escória de aciaria, na composição do concreto asfáltico para pavimentos flexíveis. A pesquisa experimental contou com composição química, a lixiviação e propriedades mecânicas das escórias, e caracterização e desempenho dos conglomerados betuminosos. Todas as misturas com a escória de aciaria satisfizeram os requisitos. DUCMAN e MLADENOVIC (2011) estudaram a possível utilização de escória de aciaria de forno elétrico a arco em concretos refratários. Os autores verificaram que escória passa por uma transformação mineralógica de wustite em magnetita quando aquecido a temperaturas superiores a 800 C, essa transformação é acompanhado pela expansão volumétrica, que apresenta fissuras no concreto o refratário e piora drasticamente suas propriedades mecânicas. Esta transformação é irreversível, de modo que quando escória é aquecida a uma temperatura de 1000 C antes de seu uso para o concreto refratário, os produtos finais apresentam propriedades mecânicas que são comparáveis aos de concreto com agregado refratário convencional, por exemplo, bauxita. 25

51 WANG et al. (2011) estudos a influência da escória de aciaria na hidratação do cimento. Os resultados mostraram que a escória de aciaria promove o grau de hidratação do cimento em idades posteriores. WANG (2010) estudou a expansibilidade de agregados graúdos de escória de aciaria com a utilização de autoclave. Com base nos resultados, o uso de escória de aciaria em condições de confinamento pode ser desenvolvido. Com base nas diversas publicações recentes sobre a utilização de escória de aciaria como agregados, o presente trabalho corrobora com o desenvolvimento cientifico e tecnológico sobre o tema abordado Agregados de escória de aciaria Agregados utilizados em concretos comumente apresentam composições químicas distintas. TASONG et al. (1998) em seus estudos apresentou resultados de agregados comumente utilizados em concretos (Tabela 2.6). Tabela Composição química do cimento portland e de agregados convencionais (TASONG et al., 1998) Composição Cimento portland Basalto Areia natural Calcário Quartzito SiO2 20,78 50,14 97,36 2,10 96,28 Fe2O3 3,74 10,56 0,04 0,03 0,26 AL2O3 4,52 14,64 0,56 0,05 0,65 CaO 63,53 8,60 0,03 54,07 0,05 MgO 1,19 7,49 0,05 0,33 0,05 SO3 2,81 0,05 0,05 0,58 0,06 Na2O 0,47 2,95 0,23 0,24 0,16 K2O 0,78 0,47 0,02 0,02 0,19 P2O5 0,13 0,16 0,02 0,01 0,02 TiO2 0,21 1,71 0,10 0,01 0,10 MnO 1,10 0,15 0,01 0,01 0,01 Perda ao fogo em 800 C 1,13 2,16 0,17 42,22 1,04 Total 99,39 99,11 98,60 99,14 98,86 26

52 Segundo TSIVILIS et al. (1999) as rochas calcarias para utilização precisam atender os parâmetros da pren 197-1,e em seus estudos eles classificaram 3 amostras de calcário sendo o que primeiro (Ll) tem um maior teor de calcita, enquanto a segunda e terceira amostras contêm quantidades significativas de dolomita (L2) e de quartzo / argila (L3), respectivamente. Os valores da composição química realizada são apresentados na Tabela 2.7. Tabela Composição química de três amostras de calcário (TSIVILIS et al., 1999) Constituintes L1 L2 L3 SiO2 0,61 0,10 8,25 AL2O3 0,15 0,16 1,52 Fe2O3 0,17 0,02 0,62 CaO 53,36 49,51 47,09 MgO 1,47 4,99 1,45 K2O 0,02 0,01 0,30 Na2O 0,00 0,02 0,06 Perda ao fogo 43,54 44,35 37,50 WANG e YAN (2010) determinaram a composição química da escoria de aciaria (Tabela 2.8) que apresentaram resultados bem distintos em relação aos resultados encontrados para rochas calcárias (Tabela 2.7) apresentados por TSIVILIS et al. (1999) Tabela Composição química de escória de aciaria (WANG e YAN, 2010) SiO2 Al2O3 FeO * Fe2O3 CaO MgO Na2O Perda ao fogo 17,09 4,53 23,86 40,46 10,46 0,42 0,91 QUARAWI et al. (2009) apresentou resultados da composição química da escoria de aciaria (Tabela 2.9 ) que também apresentaram resultados bem distintos em relação aos resultados encontrados para rochas calcárias (Tabela 2.7) apresentados por TSIVILIS et al. (1999). 27

53 Tabela Composição química de escória de aciaria (QUARAWI et al., 2009) Óxidos (%) Fe2O3 97,05 MnO 1,01 TiO2 0,8 SiO2 0,4 MgO 0,4 CaO 0,4 C 0,23 S 0,21 Solubilização da água 0,009 MASLEHUDDIN et al. (2003) comparou propriedades físicas e químicas de agregados graúdos de calcário e de escória de aciaria. Nos resultados apresentados por MASLEHUDDIN et al. (2003) percebe-se que o agregado de escória de aciaria apresentou-se superior à brita calcária nos parâmetros de propriedades físicas e composição química distinta (Tabela 2.10). Tabela Propriedades físicas e químicas da brita calcária e da escoria de aciaria. Propriedades físicas e químicas Brita calcária Agregados de escória de aciaria Massa especifica (g/cm 3 ) 2,54 3,51 Absorção de água (%) 2,20 0,85 Material friável e torrões de argila (%) 0,66 0,12 Perda na abração (%) 24,2 11,6 CaCO3 95,0 10,0 SiO2 5,0 1,0 Fe2O3 0,0 89,0 MANSO et al. (2006) apresentaram em seu trabalho as propriedades físicas e químicas de agregados graúdos e miúdos de escória de aciaria (Tabela 2.11 e Tabela12). 28

54 Tabela Propriedades físicas de agregados graúdos e miúdos de escória de aciaria (MANSO et al., 2006) Propriedades físicas Agregado graúdo Agregado miúdo Tamanho das partículas (mm) Massa especifica aparente (Mg/m 3 ) 3,35 3,70 Absorção de água (%) 10,5 - Perda na abrasão Los Angeles (%) <20 - Expansão média (ASTM D-4792) 0,25% 0,25% Tabela Propriedades físicas de agregados graúdos e miúdos de escória de aciaria (MANSO et al., 2006) Composição química EAF Slag Porcentagem da massa Cimento portland Ʃ Óxidos de ferro 42,5 3,7 SiO 2 15,3 21,9 CaO 23,9 64,2 AL 2O 3 7,4 5,1 MgO 5,1 0,9 MnO 4,5 0,01 SO 3 0,1 3,3 Outros (P 2O 5+TiO 2+Na 2O+K 2O) 1,0 0,9 CaO livre 0,45 Não mensurado MgO livre ~ 1,0 Não mensurado Fase vítrea <5,0 Não mensurado Em todos os trabalhos apresentados anteriormente percebe-se que os valores de óxidos de ferro nas escórias de aciaria estudadas foram superiores aos valores comumente encontrados para agregados naturais Classificação de resíduos sólidos A NBR (ABNT, 2004) define os resíduos sólidos como sendo os resíduos no estado sólido e semi-sólido, que resultem de atividades da comunidade de origem: industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola e de serviços de varrição. Ficam incluídos nesta definição os lodos provenientes de sistemas de tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de 29

55 controle de poluição, bem como determinados líquidos cujas particularidades tornem inviáveis o seu lançamento em rede pública e de esgotos ou de corpos de água, ou exijam para isso soluções técnicas e economicamente inviáveis em face à melhor tecnologia disponível. A ABNT (2004) define que a classificação de resíduos envolve a identificação do processo ou atividade que lhes deu origem e de seus constituintes e características e a comparação destes constituintes com listagens de resíduos e substâncias cujo impacto à saúde e ao meio ambiente é conhecido. Os resíduos são classificados em resíduos classe I Perigosos e resíduos classe II Não perigosos. Os resíduos classe II são divididos em resíduos classe II A Não inertes e os resíduos classe II B Inertes (ABNT, 2004). Os Resíduos classe II A - Não inertes são aqueles que não se enquadram nas classificações de resíduos classe I - Perigosos ou de resíduos classe II B - Inertes. Os resíduos classe II A Não inertes podem ter propriedades, tais como: biodegradabilidade, combustibilidade ou solubilidade em água. Na Tabela 2.13 é apresentado alguns resíduos classe II. Tabela Codificação de alguns resíduos classificados como não perigosos (ABNT, 2004) 30

56 3. MATERIAIS E MÉTODOS O presente trabalho teve um programa experimental para o atendimento aos objetivos geral e específico. Na Figura 3. é apresentado um fluxograma sucinto do programa experimental desenvolvido. Figura 3.1- Fluxograma do programa experimental. 31

57 3.1. Aquisição dos materiais Neste trabalho foi estudado o uso de escória de aciaria na produção de elementos de concreto para pavimentação, para isso foram utilizados materiais provenientes de quatro usinas siderúrgicas. Coletou-se uma tonelada de amostra em cada uma das quatro indústrias, todas localizadas na região Sudeste do Brasil, como indicado no Tabela 3.1. Tabela Origem e tipos de escórias utilizadas no estudo. USINA MUNICÍPIO TIPOS DE ESCÓRIA ESTADO REGIÃO Arcelor Mittal Piracicaba AE 1 SP SE Arcelor Mittal Juiz de Fora AE MG SE Arcelor Mittal João Monlevade LD 2 MG SE Usiminas Nipon Steel Ipatinga LD MG SE As escórias utilizadas foram encaminhadas para a empresa Ciclo Metal, especializada em operação de pós-processamento e recuperação de materiais metálicos de escórias de aciaria, situada no Município de Itaúna (MG). Estas escórias passaram por processo de reciclagem, segregação e classificação, com o objetivo de retirada dos constituintes metálicos. Na Figura 3.2 apresenta-se a estocagem das amostras de escória de aciaria, em sacos de lona com capacidade de 500 litros, sobre paletes, no galpão onde também foram moldados as elementos para pavimentação, mostrando as matérias prima: areia (AR-EAPP 1), pedrisco (AR-EAPP 2 A) e brita 0 (AR-EAPP 2 B). 1 AE - Aciaria elétrica; 2 LD Linz Donawitz 32

58 Figura Armazenagem das amostras de escória de aciaria. Estas amostras passaram por um método de segregação magnética especializada e foram submetidas aos processos de estabilização e inertização, que tem por finalidade neutralizar os efeitos prejudiciais da expansão de elementos como o óxido de cálcio (CaO) e o óxido de magnésio (MgO). A empresa ciclometal tem como objetivo o desenvolvimento da separação dos constituintes metálicos, principalmente no que diz respeito a materiais ferrosos das escorias de aciaria. A empresa em questão utiliza-se de processos de separação magnética, separando o aço e o ferro metálico do material cerâmico o residual metálico não ferroso com o objetivo de comercialização dos metais ferrosos como sucata. Sendo assim os constituintes da escoria de aciaria, sobram ao final do processo como resíduo do processo que a empresa desenvolve. Com isso, a escória utilizada neste trabalho não possui nenhum custo associado, uma vez que o processo em questão foi desenvolvido e pago, pela venda do resíduo metálico como sucata. A escória obtida após este processo recebeu o nome de escória de aciaria pósprocessada (EAPP), a qual foi encaminhada para a empresa para a fabricação 33

59 de elementos de concreto para pavimentação (ECP), situada no Município de Pedro Leopoldo (MG). Para a produção de ECP foram utilizadas duas proporções de materiais. A primeira mistura foi utilizada para fabricar ECP, chamada neste trabalho de ECP de referência. Esta mistura foi realizada para parâmetro de comparação, sendo confeccionada com cimento, água e agregados naturais, comumente utilizados pela empresa Unistein. Na segunda mistura, os agregados naturais graúdos foram substituídos parcialmente por agregados reciclados de EAPP. Estes agregados foram classificados segundo a sua distribuição granulométrica. O agregado reciclado de EAPP na faixa granulométrica passante na peneira com abertura 4,8mm e retida na peneira com abertura 2,0mm foi denominado AR- EAPP 1 e o agregado reciclado de EAPP na faixa granulométrica passante na peneira com abertura 6,3mm e retida na peneira com abertura 4,8mm foi denominado AR-EAPP 2. O AR-EAPP 2 foi obtido através de uma mistura entre os agregados classificados com a denominação de pedrisco (AR-EAPP 2 A) e brita 0 (AR- EAPP 2 B). As proporções utilizadas (traços) nas moldagens podem ser observadas na Tabela 3.2. Tabela Proporções de materiais utilizados para a moldagem de ECP Materiais Proporção de referência Quantidades (kg) Proporção com EAPP Cimento 78,00 78,00 Agregado miúdo convencional Agregado graúdo convencional 295,00 295,00 135,00 - AR-EAPP 1-88,00 AR-EAPP 2-88,00 Água 32,76 32,76 34

60 O cimento utilizado nas misturas foi caracterizado pelos ensaios de perda ao fogo, pela massa específica e pelo módulo de finura. A água utilizada na pesquisa foi a que abastece o laboratório de materiais e os demais laboratórios do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais (CEFET-MG), proveniente da Companhia de Saneamento de Minas Gerais S.A. (COPASA), responsável pelo tratamento e distribuição de água potável da cidade de Belo Horizonte Métodos As escórias de aciaria coletadas nas usinas foram transportadas em caminhões para a empresa especializada. Onde, fora descarregada, britada e separada em faixas granulométricas, com material passante na peneira malha 3/8 e abertura de 9,5mm. Após o peneiramento, a escória passou por um processo de retirada das partículas metálicas por meio de sistema gravimétrico-magnético. Para estabilização e inertização, a escória foi espalhada em pátio, onde foi virada e revirada durante dez dias. A posteriori, a escória recebeu o nome de Escória de Aciaria de Pós Processada (EAPP). Coletaram-se amostras em tambores de Polyvinyl Chloride (PVC) com capacidade volumétrica de duzentos litros para as diferentes faixas granulométricas produzidas. Estas amostras foram transportadas para o CEFET- MG/Campus II, onde foi realizada a caracterização. 35

61 Caracterização da escória Determinação do teor de constituintes metálicos ferrosos A caracterização da EAPP contou com diversos procedimentos. A primeira análise realizada foi a determinação do teor de constituintes metálicos ferrosos. Para esta análise, o material foi secado em estufa na temperatura de (105 C C), até constância de massa. Foi medida a massa de 2.500g do material e passado três vezes até a constância de massa por um cone magnético com o objetivo de reter as partículas ferrosas. Após a passagem de todo material, as partículas retidas no cone tiveram a massa medida, essa massa do material metálico retido (PMS) foi pesada e utilizando a equação 1, foi possível calcular o teor de metálicos ferrosos (TM). TM PMS (1) O equipamento utilizado para a determinação do teor de metálicos ferrosos nas amostras foi de intensidade magnética permanente de 2600 Gauss fabricado pela empresa de PROMAC. O sistema de recuperação consiste de processo ciclone, com chicanas helicoidais em fluxo descendente. Na Figura 3.3 é possível observar o equipamento após as passagens de uma amostra até três vezes. 36

62 Figura Ensaio de Teor de metais da escória de aciaria Determinação do teor de umidade O ensaio para a determinação do teor de umidade das amostras foi realizado de acordo com a NBR 9939 (ABNT, 1987), por secagem, em agregados miúdos e graúdos. As amostras foram secas em estufa (105 C C), até constância de massa. Com os dados obtidos foi feito o cálculo de umidade do material conforme a equação 2. Mi Mf h Mf Onde, h teor de umidade total, em %; Mi massa inicial da amostra, em g; Mf massa final da amostra seca, em g; 37

63 Análise granulométrica A análise granulométrica foi realizada para definir o tamanho das partículas do material, esta definição foi realizada através do peneiramento a seco de uma amostra da escória e da pesagem dos grãos retidos em cada uma das peneiras da série normal de peneiras NBR 7217 (ABNT, 1987). Na Tabela 3.3 são apresentadas as peneiras utilizadas com suas respectivas aberturas de malha. As amostras foram quarteadas e pesadas em balança de precisão com capacidade mínima de 2 kg e sensibilidade de 1 g. A amostra de 500g foi homogeneizada e previamente seca em estufa na temperatura de (105 C C), até constância de massa. O material seco foi colocado no conjunto de peneiras de 4,8mm a 0,075mm sob agitador, e o material retido foi pesado. Tabela Peneiras utilizadas no ensaio de granulometria. Série Normal 76 mm mm mm - 9,5 mm - 4,8 mm 2,4 mm 1,2 mm 0,6 mm 0,3 mm 0,15 mm Série Intermediária - 64 mm 50 mm - 32 mm 25 mm - 12,5 mm - 6,3 mm Em função das porcentagens retidas e acumuladas foi calculado o módulo de finura e a dimensão máxima dos agregados. O módulo de finura é a soma das porcentagens acumuladas nas peneiras da série normal, dividida por 100, não sendo considerado o fundo e as peneiras intermediárias. Já a dimensão máxima 38

64 característica foi definida pela abertura da peneira, em mm, que retém uma porcentagem acumulada igual ou imediatamente inferior a 5% Determinação da massa unitária Para a determinação da massa unitária (MU) foi realizado de acordo com NBR 7251 (ABNT, 1982). Foi utilizado um recipiente previamente limpo, seco e de volume conhecido, tamanho de largura 316 mm, comprimento 316 mm e altura 200 mm. Foi quarteado e homogeneizado foi colocado no recipiente, em seguida a superfície foi alisada com uma régua, conforme ilustra a Figura 3.4. Após esse procedimento foi pesado o recipiente contendo o resíduo e calculada a massa unitária. Para o cálculo foi utilizada a equação 3. M MU (3) V Onde, M massa do material; V volume interno do recipiente; Na Figura 3.4 é possível observar uma imagem da realização do ensaio de massa unitária. 39

65 Figura Ensaio de massa unitária da escória de aciaria. Para a determinação da massa específica dos agregados miúdos foi realizado o ensaio de acordo com a NBR 9776 (ABNT, 1987), para isso foi utilizado o frasco Chapman e balança de precisão com capacidade mínima de 1 kg e sensibilidade de 1 g Determinação de massa especifica Para o ensaio de massa especifica a amostra foi previamente secada em estufa na temperatura de (105 C C), até constância de massa. Para a realização do ensaio foi colocada a água no frasco até marca de 200 cm 3, deixando-o em repouso, para que a água aderida às faces internas escorra totalmente. Em seguida foi introduzido, cuidadosamente, 500g de agregado miúdo seco no frasco o qual foi devidamente agitado para eliminação das bolhas de ar. A leitura do nível atingido pela água no gargalo do frasco indicou o volume, em cm 3, ocupado pelo conjunto água-agregado miúdo, sendo verificado que as faces internas estavam completamente secas e sem grãos aderentes, conforme Figura 3.5. Com a equação 4 é possível calcula a massa específica. 500 L 200 (4) 40

66 onde, massa específica do agregado miúdo, deve ser expressa em g/cm3; L leitura do frasco (volume ocupado pelo conjunto água-agregado miúdo). Figura Ensaio de massa específica de escória de aciaria Determinação do teor de material pulverulento Para a determinação do teor de material pulverulento foi coletado do lote uma amostra foi previamente seca em estufa. A amostra foi coberta com água e vertida em peneiras superpostas, sendo lavada até a completa limpeza, com a eliminação das partículas passantes. O material retido foi recolhido, seco e depois pesado. O cálculo foi efetuado conforme equação 5. Mi Mf MP Mi onde, MP teor de material pulverulento; 41

67 Mi massa inicial; Mf massa final. Na Figura 3.6 é apresentada a realização do ensaio de material pulverulento. Figura Ensaio de material pulverulento da escória de aciaria Dosagem do traço dos elementos para pavimentação Os agregados naturais utilizados nas dosagens que serviram como testemunhos ao modelo experimental foram adquiridos no mercado local, frente às faixas granulométricas indicadas pela NBR 7211 (ABNT, 1983) para agregados graúdos e miúdos. A partir dos dados da caracterização física obtidos para os agregados artificiais e naturais, foi produzida uma mistura graduada de acordo com a faixa apresentada na Figura 3.7. Estas faixas granulométricas com limites superiores e inferiores são as faixas utilizadas pela indústria de pré-moldados Unistain. Neste trabalho foi utilizada a faixa granulométrica para Pavers, chamado neste trabalho de elementos de concreto para pavimentação. O dimensionamento do traço foi conduzido conforme método estabelecido pela ABCP com auxílio de software 42

68 especializado para dimensionamento de misturas cimentícias (SALES e PEIXOTO, 2009). Figura 3.7- Limites ideais para fabricação de elementos de concreto para pavimentação. Os traços dimensionados foram realizados com base nas demandas do processo produtivo e de aplicação dos elementos para pavimentação. Serão considerados como parâmetros de dosagem as tensões normativas de 35 MPa para vias com tráfego de veículos comerciais e de linha e 50 MPa para vias com tráfego de veículos especiais ou com significativas solicitações à abrasão, em conformidade com a NBR 9781 (ABNT, 1987). Devido ao fato do programa experimental ser realizado na indústria localizada na cidade de Pedro Leopoldo (MG), os materiais utilizados nos testes foram os mesmos materiais utilizados pelo fabricante rotineiramente Moldagem e cura dos elementos para pavimentação Os elementos de concreto para pavimentação foram produzidos da mistura cimentícia em processo industrial. A adição de materiais foi realizada conforme ilustra a Figura 3.8 foi conduzida por processo gravimétrico e os elementos moldados em uma vibroprensa. A vibroprensa utilizada nesta pesquisa é 43

69 ilustrada na Figura 3.9 do tipo de desforma automática sobre paletes, usadas atualmente pela grande maioria dos fabricantes no Brasil, o equipamento é da empresa Unistein especializada na fabricação de blocos intertravados. Figura Abastecimento de materiais na vibroprensa utilizada na fabricação de elementos para pavimentação, Pedro Leopoldo (MG). Figura Vibroprensa utilizada na fabricação de elementos para pavimentação, Pedro Leopoldo (MG). Os elementos com idade zero foram acondicionados sobre paletes, envelopados por lonas de PVC e transportados para o pátio da empresa Unistein, como ilustrado na Figura 3.10, onde permaneceram ate a data para a realização dos ensaios mecânicos de compressão e flexão, nas idades de 3, 7 14, 56 dias. No 44

70 laboratório de materiais do CEFET-MG, onde passaram por processamento e análise. Figura Elementos de concreto para pavimentação com idade zero foi acondicionados sobre paletes no pátio da empresa Unistein Pedro Leopoldo (MG) Determinação das propriedades físicas e mecânicas dos elementos de concreto para pavimentação Para a caracterização dos elementos de concreto para pavimentação foram ensaiados quatro corpos de prova de cada composição para cálculo da absorção de água por imersão, índices de vazios, massa específica da amostra seca e da amostra saturada de acordo com NBR 9778 (ABNT, 1987) Determinação da absorção de água Para realização dos ensaios foram medidas as massas das amostras secas ao ar e as massas secas dos compósitos foram medidas após os corpos de prova permaneceram na estufa até atingirem constância de massa. Para determinar a constância de massa, a amostra permaneceu em estufa à temperatura de 105 ± 5 C, as amostras foram pesadas após permanência na estufa de 24 h, 48 h e 72 45

71 h. As amostras foram resfriadas ao ar seco à temperatura ambiente. Após 72 h de permanência na estufa foi verificado se a massa não diferiu mais de 0,5% da massa medida às 48 h. Completada a secagem em estufa e determinada a massa seca, foi procedida à imersão da amostra em água, durante 72 h, sendo que a amostra foi mantida com 1/3 de seu volume imerso nas primeiras 4 h e 2/3 nas 4 h subseqüentes, sendo completamente imersa nas 64 h restantes. A massa imersa foi determinada decorrido 24 h, 48 h e 72 h de imersão. As determinações foram efetuadas após enxugar-se a superfície da amostra com toalha absorvente. Após 72 h de permanência na imersão foi verificado se a massa não diferiu mais de 0,5% da massa medida às 48 h. Após completar a saturação foi procedida à pesagem em balança hidrostática, anotando as massas das amostras imersas em água. A absorção de água por imersão (Abs) foi definida pela equação 6. M sat M s Abs 100 (6) M s Onde: M sat = massa do corpo-de-prova saturado; M s = massa do corpo-de-prova seco em estufa Determinação dos índices de vazios O índice de vazios foi determinado pela relação entre os volumes de poros permeáveis e o volume total, sendo calculada pela equação 7. M sat M s I V 100 (7) M M sat i 46

72 Onde: M i = massa do corpo-de-prova saturado, imerso em água Determinação das massas especificas A massa especifica seca (ɣ s) foi determinada pela equação 8. M s s 100 (8) M M sat i A massa especifica seca (ɣ sat) foi determinada pela equação 8. M sat sat 100 (9) M M sat i Na Figura 3.11 é possível ver o aparato para pesagem hidrostática constituído de balança, mesa de suporte, balde e cesto. 47

73 Figura Aparato de pesagem hidrostática Determinação da expansibilidade A determinação da expansibilidade dos elementos foram procedidas a partir da análise da estabilidade dimensional para os elementos fabricados em concreto convencional e escória de aciaria, segundo ciclos de molhagem e secagem. A peça foi seccionada em três partes e no centro geométrico dos terços exteriores foram fixados, com graute, pinos de referência. Na Figura 3.12 é possível observar uma peça preparada para o ensaio de expansibilidade. 48

74 Figura Elementos preparada para o ensaio de expansibilidade. A colocação dos pinos serviu como orientação para as tomadas de medidas durante o processo de ensaio. Utilizaram-se para cada uma das determinações três corpos de prova. Após fixação dos pinos de referência (72 horas) foram determinadas as medidas iniciais (e 0). Todos os pinos dos elementos de concreto para pavimentação foram fixados com pasta de cimento CP V ARI. Determinada a medida inicial, os CP foram colocados em estufa à temperatura de 105ºC por um período de 24 horas. Após o período de aquecimento na estufa (24 horas), os CP foram retirados e depositados sobre a bancada para a determinação da medida (e 1). Depois da estabilização da temperatura do CP e a determinação das medidas entre os pinos de referência, os CP foram colocados em um tanque sob a condição de submersão por um período de 24 horas. Esse procedimento foi repetido para os intervalos de tempo relativo aos três dias (e 3 72 horas), sete dias (e horas), 14 dias (e horas) e 56 dias (e horas) após a medida inicial realizada na fixação dos pinos (e 0). Na Figura 3.13 é possível observar uma medida de expansibilidade sendo realizada com o uso de um paquímetro. 49

75 Figura Realização das medidas de expansibilidade Determinação da uniformidade O ensaio de uniformidade foi realizado de acordo com a NBR 6136 (ABNT, 2006). As amostras foram extraídas de forma representativa, sendo coletados seis elementos para cada 300m 2 do lote, e adicionada mais uma peça à amostra a cada 50m 2, até o limite máximo de 32 elementos. Cada lote tinha que conter no máximo 1600m 2, em conformidade com a NBR 9781 (ABNT, 1987). Para a determinação da uniformidade dos elementos foram medidas as massas e as dimensões externas dos elementos Determinação da resistência à compressão A resistência à compressão simples (σ C) foi determinada individualmente para cada corpo-de-prova e expressa pela média de suas repetições. Sua determinação foi especificada pela NBR 9780 (ABNT, 1987) que descreve o 50

76 procedimento de ensaio de determinação da resistência à compressão de elementos pré-moldados de concreto destinados à pavimentação de vias urbanas, pátios de estacionamento ou similares. O carregamento foi conduzido continuamente, com velocidade de aplicação entre 300 kpa/s e 800 kpa/s. Nenhum ajustamento foi feito nos controles da máquina de ensaio quando a peça aproximou-se da ruptura e o carregamento deve prosseguiu até a ruptura completa da peça. A resistência à compressão (em MPa) da peça foi obtida dividindo-se a carga de ruptura (em N) pela área de carregamento (em mm 2 ), multiplicando o resultado pelo fator p, função da altura da peça, conforme ilustrado na Tabela 3.4. Tabela Fator multiplicativo p (ABNT, 1987). Altura nominal da peça (mm) Fator Multiplicativo p 0,95 1,00 1,05 O equipamento foi equipado com dois pratos de aço, sendo fixo o inferior e articulado o superior, com espessuras suficientes para evitar deformação durante o ensaio e capaz de transmitir a carga de modo progressivo e sem choques, contendo duas placas auxiliares, que foram circulares, com diâmetro de 90 mm, confeccionadas de aço, com dureza superficial maior que 60 RC. Suas superfícies não apresentavam afastamento com relação a uma superfície plana de contato, tomada como referência, de mais de 0,01 mm em 90. As placas auxiliares foram acopladas à máquina de ensaio de compressão, uma fixa no prato inferior e outra articulada no superior, de maneira que seus eixos verticais centrais ficaram perfeitamente alinhados. Na Figura 3.14 é possível ver uma imagem da realização do ensaio de resistência à compressão das elementos de concreto para pavimentação. 51

77 Figura Ensaio de resistência à compressão dos elementos de concreto para pavimentação Para a realização do ensaio as superfície de carregamento dos elementos foram capeadas com enxofre fundido, com espessura inferior a 3 mm. Os valores característicos ou de projeto para as resistências mecânicas obtidos pelo programa experimental foram determinados de acordo com planejamento estatístico experimental que considerou uma distribuição normal dos resultados, descrita pela equação 10. f pk f t s (10) p f resistência característica à compressão (MPa); pk f resistência média das elementos ensaiadas à ruptura (MPa); p s desvio padrão da amostra; t coeficiente de Student em função do tamanho da amostra, conforme ilustrado na Tabela

78 Para o cálculo do desvio padrão da amostra (s) foi utilizada a equação 11. s f p f n 1 pi 2 (11) Onde: s desvio padrão da amostra f p resistência média das elementos ensaiadas à ruptura (MPa) f pi resistência individual das elementos ensaiadas à ruptura (MPa) n número de elementos da amostra Na Tabela 3.5 são apresentados os coeficientes de Student. Tabela Coeficiente de Student: intervalo de confiança i=95% (ABNT, 1987). N t n T 6 0, , , , , , , , , , , , , , , Determinação da resistência à tração na flexão O ensaio de resistência à tração na flexão foi realizado segundo especificações da NBR (ABNT, 2005). Os corpos-de-prova foram posicionados nos dispositivos de apoio do equipamento de ensaio que estão distantes entre si 53

79 (120,0 ± 0,5) mm e a carga foi aplicada centralizadamente entre os apoios, de modo que a face rasada não entrou em contato com os dispositivos de apoio, nem com o dispositivo de carga. Aplicou-se então uma carga na velocidade de (50 ± 10) N/s até a ruptura do corpo-de-prova. A resistência à tração na flexão é calculada de acordo com a equação. R f 1,5 F f L (12) 3 60 Onde: R f = resistência à tração na flexão, em MPa; F f = carga aplicada verticalmente no centro do EPC em N; L = distância entre os suportes, em mm. Na Figura 3.15 é apresentado o dispositivo e o equipamento de ensaio utilizado na determinação da resistência à tração na flexão dos elementos de concreto para pavimentação. 54

80 Figura Equipamento e dispositivo de ensaio de resistência à tração na flexão Determinação da lixiviação e solubilização Para determinação das propriedades relacionadas com as interações ambientais produzidas pelos elementos de concreto para pavimentação com agregados artificiais de escória de aciaria e agregados naturais foram realizados os ensaios de lixiviação e solubilização. As amostras para análises ambientais foram produzidas de acordo com prescrição normativa estabelecida pela NBR (ABNT, 2004) e as análises de caracterização da amostra bruta definidas pela NBR (ABNT, 2004), de lixiviação da NBR (ABNT, 2004) e de solubilização da NBR (ABNT, 2004). Sendo as amostras processadas em laboratório externo certificado. Foram determinadas as propriedades relacionadas com as interações ambientais produzidas pela utilização de agregados artificiais de escória de aciaria e agregados naturais elementos de concreto para pavimentação, comparativamente. As análises ambientais foram conduzidas em amostras de corpos de prova (CP) produzidos em concreto com agregados de escória de 55