INFLUÊNCIA DA AREIA FENÓLICO-ALCALINA USADA DE FUNDIÇÃO (AF) NA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO E NA ABSORÇÃO DE ÁGUA

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1 INFLUÊNCIA DA AREIA FENÓLICO-ALCALINA USADA DE FUNDIÇÃO (AF) NA RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO E NA ABSORÇÃO DE ÁGUA Daiane Calheiro (1); Daiana Cristina Metz (2); Ana Cláudia Dal Magro; Marlova Piva Kulakowski (3); Carlos Alberto Mendes Moraes (4) (1) Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil Universidade do Vale do Rio dos Sinos, UNISINOS - Brasil dcalheiros@gmail.br (2) Programa de Pós-graduação em Engenharia Civil Universidade do Vale do Rio dos Sinos, UNISINOS - Brasil daianacm@unisinos.br (3) Programa de Pós- graduação em Engenharia Civil Universidade do Vale do Rio dos Sinos, UNISINOS - Brasil marlovak@unisinos.br (4) Programa de Pós- graduação em Engenharia Civil Universidade do Vale do Rio dos Sinos, UNISINOS - Brasil marlovak@unisinos.br RESUMO O setor de fundição gera uma quantidade significativa de resíduos sólidos industriais, entre eles a areia fenólica-alcalina usada de fundição (AF). O concreto é o material de construção mais empregado no mundo, demandando um volume considerável de recursos naturais, alguns destes já escassos nos grandes centros, como a areia de rio. O objetivo do trabalho é avaliar o emprego de AF como substituição parcial de areia natural na produção de concreto. A AF foi destorroada e segregada, passando por caracterização com vistas ao emprego em concreto. O concreto foi dosado pelo método IPT-EPUSP, produzindo-se 3 traços de concreto referência e três traços de concreto com AF empregada em substituição à areia convencional, nos teores de 5 e 10. A substituição foi realizada em massa com compensação de volume. No estado fresco avaliou-se a demanda de água e a consistência pelo teste de abatimento de tronco-cone. No estado endurecido avaliou-se a resistência à compressão aos 28 dias e a absorção de água. Os resultados indicam um bom ajuste dos traços de concreto estudados, apresentando coeficiente de determinação de 95%, com uma demanda de água similar à referência. As resistências à compressão aos 28 dias dos concretos com AF apresentaram uma redução média de 17% em relação à referência e os resultados mais satisfatórios foram obtidos para o teor de 10% de AF. Comportamento similar foi observado na absorção de água. Estes resultados podem indicar uma possível interferência das contaminações da areia no desenvolvimento das reações de hidratação do cimento e das resistências do concreto. Palavras-chaves: Resíduos, areia fenólica-alcalina, concreto, resistência à compressão.

2 1 INTRODUÇÃO Segundo a Associação Brasileira de Fundição (ABIFA, 2008), o Brasil é o sétimo produtor mundial de bens fundidos. O número estimado de empresas no país é de unidades sendo a maioria empresas de micro e pequeno porte. O setor produz cerca de 3,4 milhões de toneladas de bens fundidos por ano. A areia é utilizada no processo para produzir moldes adaptados. A cavidade do molde deve reter o formato do objeto pretendido até que o metal líquido se solidifique, e então o fundido é separado do molde. Mais de 90% dos bens manufaturados e equipamentos usam fundidos como componentes ou dependem de fundidos para sua fabricação (Moraes, 2009). Após apenas um ciclo do processo as características da areia se modificam, tornando-a imprópria para a moldagem. A areia, então, deve ser renovada, gerando assim o resíduo: a areia de fundição fenólico-alcalina (AF). Comumente, essas areias são encaminhadas para aterros industriais, em função de estarem contaminadas com compostos fenólicos. Conforme a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) NBR 10004:2004 (1) a AF é classificada como resíduo Classe I - Perigoso. Apesar de seu potencial contaminante, sabe-se que, não raro, AF geradas são armazenadas no pátio da própria fundição, gerando um grave problema ambiental. Visando diminuir os impactos ambientais e econômicos gerados pela destinação do resíduo, diversas pesquisas vêm sendo dirigidas atualmente avaliando a incorporação da AF total ou parcial em outros materiais. O setor da construção civil é responsável por grande parte dos impactos ambientais, seja na geração de resíduos sólidos quanto na intensa utilização de recursos naturais não renováveis. Segundo VALVERDE (2007) (4), em 2006 foram produzidos 358,0 milhões de toneladas de agregados, representando um aumento de 8% em relação a Deste total, 146,0 milhões de toneladas são representados por pedras britadas e 212,0 milhões de toneladas por areia. Sabe-se que o concreto é o material estrutural mais utilizado no mundo, e para que este apresente uma longa vida útil é necessário que tenha um desempenho adequado. Sendo assim, aspectos de durabilidade devem ser considerados. Dentro disso pode-se dizer que o maior problema quanto à durabilidade é a corrosão de armaduras. A água geralmente está envolvida em toda forma de deterioração, e se tratando de um material poroso, a permeabilidade normalmente determina a taxa de deterioração. A fim de contribuir para a redução da exploração de agregados naturais não-renováveis e para a diminuição do depósito de resíduos descartados de forma ambientalmente incorreta, este trabalho consiste em avaliar a substituição parcial da areia natural pela areia de fundição fenólico-alcalina (AF) usada de fundição na fabricação de concretos. 2 OBJETIVO Este trabalho tem como objetivo geral avaliar a substituição parcial da areia natural pela areia fenólicoalcalina usada de fundição na confecção de concretos com fins estruturais. 3 METODOLOGIA Utilizou-se para os estudos cimento Portland CP V ARI RS, cuja caracterização química está representada na Tabela 1 e a caracterização física está apresentada na Tabela 2, conforme informação do fabricante. Tabela 1 Composição e caracterização química do cimento CPV RS, segundo dados do fabricante Ensaio químicos (%) CP V ARI RS Norma Perda ao fogo 3,65 NM 18 Resíduo insolúvel 11,98 NBR NM 15 Trióxido de enxofre SO 3 3,23 NBR Óxido de cálcio livre CaO 1,56 NBR NM 12 Óxido de magnésio MgO 4,89 NBR 14656

3 Óxido de alumínio Al2O3 6,31 NBR Óxido de silício SiO2 22,29 NBR Óxido de ferro Fe2O3 3,17 NBR Óxido de cálcio CaO 53,95 NBR Equivalente alcalino 0,81 NBR Fonte: Itambé (2007) Tabela 2 - Caracterização física do cimento CPV ARI RS segundo dados do fabricante Ensaios físicos unidade CPV ARI RS NBR Tempo de início de pega h:min 02:07 NBR NM 65 Tempo de fim de pega h:min 02:49 NBR NM 65 Consistência normal % 30,08 NBR NM 43 Blaine cm2/g 5,017 NBR NM 76 Finura da peneira = 200 % 0,13 NBR Finura na peneira = 325 % 1,06 NBR 9202 Resistência à comp. Axial a 1 dia MPa 22,6 NBR 7215 Resistência à comp. Axial aos 3 dias MPa 33,5 NBR 7215 Resistência à comp. Axial aos 7 dias MPa 39,7 NBR 7215 Resistência à comp. Axial aos 28 dias MPa 49,70 NBR 7215 Fonte: Itambé (2007) Como agregado miúdo foi utilizado o resíduo de areia proveniente do processo de fundição, cuja curva granulométrica está apresentada na Figura 1, e areia natural de origem quartzosa no qual se encontra na Figura 2 sua curva granulométrica. Como agregado graúdo foi utilizado brita de origem basáltica e sua curva granulométrica encontra-se na Figura 3. Figura 1 Curva granulométrica da areia de fundição

4 Figura 2 Curva granulométrica da areia natural Utilizou-se no processo de confecção do concreto, água proveniente da rede pública de abastecimento de água da cidade de São Leopoldo. A caracterização dos agregados estão apresentadas na Tabela 3. Figura 3 Curva granulométrica da brita Tabela 3 - Caracterização dos agregados utilizados. Ensaio Areia Natural Areia de Fundição Brita Massa específica - NBR NM 52 (10). 2,43 kg/dm³ 2,23 kg/dm³ 2,59 kg/dm³ Dimensão máxima - NBR NM 248 (11). 4,8 mm 0,6mm 19 mm Módulo de finura - NBR NM 248 (11). 2,39 1,85 6,93 O proporcionamento do concreto foi realizado pelo método IPT/EPUSP (Helene e Terzian, 1993) (12), estipulando-se um abatimento de 100 ± 20 mm. O teor de argamassa foi fixado em 53%. Para a produção dos concretos foram realizados três traços (proporcionamento de materiais) de referência todos com a utilização de agregados convencionais, um com baixo consumo de cimento (pobre), outro com médio consumo de cimento (intermediário) e o último com alto consumo de cimento (rico). Os traços

5 produzidos com a substituição da areia natural pela AF empregaram de 5, 10 e 15% da mesma. Estas substituições foram realizadas em massa com compensação de volume, em função da diferença entre a massa específica da areia natural e da areia de fundição ( Tabela 3). Esta compensação de volume foi realizada conforme Equação 1. A composição dos traços e o consumo de materiais empregados são apresentados na Tabela 44. M M AN AF Equação 1 AF AN Onde: M AF é a massa de areia de fundição, em kg; V AF é o volume de areia de fundição, dm³; AF é a massa específica da areia de fundição, em kg/dm³; M AN é a massa de areia natural, em kg; V AN é o volume de areia natural, dm³; AN é a massa específica da areia natural, em kg/dm³. Tabela 4 Traços e consumos de materiais dos concretos estudados. Identificação Traços Traços unitários em massa (kg) Rel a/c Cimento (kg) Areia (kg) AF (kg) Brita (kg) Abatimento (mm) Ref. Pobre (RP) 1: 2,98: 3,52 0,66 7,96 23, Ref. Intermediário (RI) 1: 2,18: 2,82 0,53 10,28 22, Ref. (RR) 1: 1,39: 2,12 0,42 14,62 20, Pobre 5% AF (AF5P) 1: 2,98: 3,52 0,64 7,96 22,52 1, Interm. 5% AF (AF5I) 1: 2,18: 2,82 0,53 10,28 21,30 1, Rico 5% AF (AF5R) 1: 1,39: 2,12 0,42 14,62 19,31 0, Pobre 10% AF (AF10P) 1: 2,98: 3,52 0,63 7,96 21,33 2, Interm. 10% AF (AF10I) 1: 2,18: 2,82 0,51 10,28 20,18 2, Rico 10% AF(AF10R) 1: 1,39: 2,12 0,43 14,62 18,29 1, Pobre 15% AF (AF15P) 1: 2,98: 3,52 0,62 7,96 20,15 3, Interm. 15% AF (AF15I) 1: 2,18: 2,82 0,53 10,28 19,06 3, Rico 15% AF (AF15R) 1: 1,39: 2,12 0,43 14,62 17,28 2, Ao se incorporar a areia de fundição ao concreto, nos diferentes teores, foram realizados ajustes na quantidade de água de amassamento, sempre que necessário, a fim de manter o parâmetro abatimento dentro dos limites pré-estabelecidos, alterando a relação água/cimento em relação ao traço original. Para determinar a resistência à compressão dos concretos estudados, foram moldados 2 corpos-de-prova (cp s) cilíndricos, com 10 cm de diâmetro e 20 cm de altura. A moldagem dos cp s seguiu as recomendações da NBR 5738 (ABNT, 2003) (13), permanecendo em ambiente de laboratório, após o qual foram encaminhados para câmara de cura úmida até que atingissem a idade de 28 dias Para a determinação da resistência à compressão seguiu-se a NBR NM101 (ABNT, 1996) (14), que especifica o método de ensaio de compressão para o concreto. 3.1 ENSAIO DE ABSORÇÃO ÁGUA O ensaio de absorção de água foi realizado conforme norma RILEM 116- PCD Permeability of concrete as a criterion of its durability (RILEM,1999).Após os 28 dias de cura úmida 3 cp s foram retirados e fatiados para atingirem altura de 5cm. Para que estivessem totalmente secos foram mantidos em estufa com temperatura de 105ºC até manterem peso constante. Quando totalmente secos, os cp s foram impermeabilizados com fita isolante em torno de seu perímetro e um material plástico colocado sobre uma de suas extremidades, deixando apenas uma extremidade em contato com o meio. O ambiente de ensaio teve temperatura controlada em 20ºC ±1ºC, bem como umidade relativa, mantida a 70% ±10%. Este ensaio consiste em imergir os corpos de prova, até a profundidade máxima de 3,0mm pesando em intervalos de tempo especificados, permitindo assim, que se calcule a ascensão de água por absorção capilar através das diferenças de massa comparando-as com massa do cp seco. Antes de cada pesagem, a superfície de contato com a água é enxugada levemente com pano úmido, a fim de retirar o excesso de água. Cada corpo de prova permaneceu imerso por 7 dias, até seu peso estabilizar.a água absorvida é medida a cada intervalo de tempo, conforme a expressão:

6 Resistência à compressão (MPa) m = m a -m 0 Sendo: m - Variação de massa no intervalo de tempo; m a - Massa do corpo de prova após o intervalo considerado; m 0 - Massa do cp seco 4 APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS 4.1 Resistência à compressão As equações das curvas de ajuste de resistência à compressão aos 28 dias (curvas de Abrams), bem como as retas de dosagem são apresentadas na Tabela 5. Tabela 51 Equações de resistência à compressão e reta de dosagem Identif. fc resistência à compressão aos 28 dias (kg) R² Traço (kg/kg) R² REF LOG(fc)=1,9040-0,5959*a/c 0,9976 m=12,363a/c-1,5934 0,9973 AF5% LOG(fc)=1,8633-0,7143*a/c 0,9379 m=14,012a/c-2,4078 0,9995 AF10% LOG(fc)=1,8191-0,5278*a/c 0,8414 m=14,844a/c-2,7537 0,9847 AF15% LOG(fc)=1,8638-0,6764*a/c 0,8862 m=15,689a/c-3,1951 0,9989 A Figura 4 apresenta as resistências à compressão dos concretos estudados, quando se fixa as relações água cimento em três níveis de consumo de cimento e resistência. Pode-se observar que seguem uma tendência de comportamento, sendo que as maiores resistências à compressão dos concretos com resíduo é apresentado pelo que contém 15% de AF. Contudo este concreto ainda apresenta uma queda de resistência de 10% em relação ao concreto de referência. Resistência à compressão - 28 dias 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 100% 80% 88% 84% 100% 89% 79% 83% 0,43 0,53 0,63 Relação a/c 100% Referência AF 5% AF 10% AF 15% 77% 91% 81% Figura 4 Comparação das resistências à compressão A tabela 6 apresenta a análise de variância dos efeitos dos fatores teor de adição de areia fenólica, do traço e da interação destes dois fatores sobre o comportamento da propriedade resistência à compressão. A análise indica que os fatores isoladamente apresentam um efeito significativo na resistência à compressão a um nível de confiança de 95%, tendo em vista que os valores de p são menores do 5%. Por sua vez, a interação entre os fatores não influenciam de forma significativa sobre propriedade em questão. Tabela 6 Análise variância para a variável resistência à compressão Fonte GDL SQ MQ Teste F Significância - p AF 3 177, , , , M 2 348, , , , AF M 6 43, , , ,

7 Erro 12 96,385 8, Os efeitos isolados de cada um dos fatores analisados, bem como o efeito da interação destes fatores, sobre a resistência à compressão é apresentado nos gráficos de médias das Figuras 5 à 7. Resistência à compressão (MPa) Resistência à compressão - Médias Efeito Isolado da Areia de Fundição Teor de Areia Fenólica (%) Figura 5 Efeito Isolado da Areia de Fundição Resistência à compressão - Médias Efeito Isolado do Traço Resistência à compressão (MPa) :3,5 1:5,0 1:6,5 Traço Unitário Cimento:Agregados Figura 6 Efeito Isolado do Traço

8 Resistência à compressão Resistência à compressão - Médias Efeito da Interação entre Areia Fenólica e Traço 1:3,5 1:5,0 1:6,5 Traço Unitário Cimento:Areia AF 0% AF 5% AF 10% AF 15% Figura 7 Efeito de Interação entre Areia de Fenólica e o Traço Pode-se verificar pelos dados apresentados no gráfico da Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden.6 que os consumos de cimento apresentam um aumento significativo em relação ao concreto referência, o que poderia tornar inviável o emprego da AF fenólica alcalina na produção de concreto. Contudo, há necessidade de conduzirem-se estudos onde haja uma maior adequação do emprego da AF, considerando a sua incorporação em areias cujo módulo de finura seja equivalente a uma areia grossa e, desta forma, a finura da areia de fundição compensaria a falta de fração fina da areia grossa. 4.2 Análise de variância para absorção de água A tabela 7 apresenta a análise de variância dos efeitos dos fatores teor de adição de areia fenólica, do traço e da interação destes dois fatores sobre o comportamento da propriedade resistência à compressão. A análise indica que os fatores isoladamente e a interação entre eles apresentam um efeito significativo na absorção de água a um nível de confiança de 95%, tendo em vista que os valores de p são menores do 5%). Tabela 7 Análise variância para a variável absorção de água. Fonte GDL SQ MQ Teste F Significância - p AF 2 0, , , , M 2 0, , , , AF M 4 0, , , ,71E-05 Erro 9 0, ,59E-05 As Figuras 8 e 9 apresentam os gráficos de médias dos efeitos isolados do traço e do teor de areia fenólica.

9 Absorção de água (g/cm²) Absorção de água (g/cm²) 0,600 0,595 0,590 0,585 0,580 0,575 0,570 0,565 0,560 0,555 0,550 0,545 0,540 0,535 0,530 0,525 0,520 0,600 0,595 0,590 0,585 0,580 0,575 0,570 0,565 0,560 0,555 0,550 0,545 0,540 0,535 0,530 0,525 0,520 0 Absorção de água - médias Efeito Isolado da Areia Fenólica 5 10 Teor de Areia Fenólica (%) Figura 8 Efeito de Isolado da Areia de Fenólica 1:3,5 Absorção de água - médias Efeito do Isolado do Traço 1:5,0 1:6,5 Traço Cimento:Agregados Figura 9 Efeito de Isolado do Traço Os gráficos de médias para absorção de água indicam que o teor de areia fenólica de 10% parece ser o teor menos prejudicial para esta propriedade, apresentando uma absorção média inferior ao traço de refer6encia. Também pode ser observado que quanto menor o consumo de cimento maior a absorção de água. 5 CONCLUSÕES As resistências à compressão aos 28 dias dos concretos com AF apresentaram uma redução média de 17% em relação ao concreto de referência e os resultados mais satisfatórios foram obtidos para o teor de 10% de AF. Estes resultados podem indicar uma possível interferência das contaminações da areia no desenvolvimento das reações de hidratação do cimento e das resistências do concreto. A areia fenólica também interfere na absorção de água, apresentando, em um primeiro momento o mesmo comportamento que para a resistência à compressão. Também deve ser considerado que este tipo de areia apresenta um módulo de finura muito inferior ao da areia natural, o que aumenta a demanda de água da mistura e, como conseqüência, diminui as resistências. Além disto, outros estudos devem ser conduzidos para verificar o comportamento em concretos com idades mais elevadas.

10 6 REFERÊNCIAS ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR Concreto - Procedimento para moldagem e cura de corpos-de-prova. Rio de Janeiro, ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NM Concreto - Ensaio de compressão de corpos-de-prova cilíndricos. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE FUNDIÇÃO. Estudo Setorial de Fundição : O Setor de Fundição no Brasil - Perfil Produtivo e Tecnológico. Rio de Janeiro: ABIFA, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR NM 248: Agregados Determinação da composição granulométrica. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NBR NM 52: Agregado miúdo Determinação da massa específica e massa específica aparente. Rio de Janeiro, ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. Resíduos Sólidos - Classificação: NBR 10004:2004. Rio de Janeiro: ABNT, FOUNDRY INDUSTRY RECYCLING STARTS TODAY. Foundry Sand Facts for Civil Engineers. Washington: Environmental Protection Agency, p. HELENE, P. e TERZIAN, P. Manual de dosagem e controle do concreto. Ed. Pini, São Paulo, 1993, 349 p. MORAES, Carlos A. M.. Reciclagem de resíduos sólidos de fundição: uma análise crítica. In. 57º Congresso Anual da ABM Internacional. São Paulo, Anais do 57º Congresso Internacional Anual da ABM. São Paulo: ABM, PIOVESAN, Angela Zamboni; GEMELLI, Carolina; SILVA, Maria da Luz; MASUERO, Angela Borges. Utilização da Areia de Fundição para Fabricação de Blocos de Concreto para Pavimentação. In. XII Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído. ANTAC, Fortaleza. CD ENTAC Fortaleza: ENTAC, SILVA, Tatiane Cristina da; CHEGATTI, Scrirlene. Comparativo entre os regulamentos existentes para reutilização de resíduos de fundição. In. CONGRESSO DE FUNCIDÇÃO ABIFA, 13., São Paulo. CD CONAF São Paulo: CONAF, TOLEDO, Edna Beronheiro Signorelli. Método de utilização de areia de fundição e resíduo de poeira de jateamento (micro esferas de vidro) para produzir cerâmica vermelha Dissertação (Mestrado em Engenharia e Ciência dos Materiais) Universidade Federal do Paraná, p. VALVERDE, Fernando M. Sumário Mineral Brasileiro 2007 Agregados para Construção Civil. DNPM/MME, p Disponível em: Acesso em 29 set. de VALVERDE, Fernando. M. Sumário Mineral Brasileiro 2006 Agregados para Construção Civil. DNPM/MME, p Disponível em: Acesso em 29 set. de AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à PL Fundição pela concessão das amostras de areia fenólica de fundição usada

11 para realização do programa experimental, e ao Banco Santander e UNISINOS pelas bolsas de mestrado.