UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA CENTRO DE TECNOLOGIA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO REAPROVEITAMENTO DOS RESÍDUOS DE BRITAGEM DE GRANITO Uso como agregado artificial na construção civil ROBSON ARRUDA DOS SANTOS João Pessoa - PB Dezembro de 2011

2 ROBSON ARRUDA DOS SANTOS REAPROVEITAMENTO DOS RESÍDUOS DE BRITAGEM DE GRANITO Uso como agregado artificial na construção civil Monografia apresentada à Coordenação do Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal da Paraíba como requisito para obtenção do grau de Bacharel em Engenharia Civil. ORIENTADOR: PROF. DR. BELARMINO BARBOSA LIRA João Pessoa - PB Dezembro de 2011

3 FOLHA DE APROVAÇÃO ROBSON ARRUDA DOS SANTOS REAPROVEITAMENTO DOS RESÍDUOS DE BRITAGEM DE GRANITO: Uso como agregado artificial na construção civil Trabalho de Conclusão de Curso em 21/12/2011 perante a seguinte Comissão Julgadora: Prof. Dr. Belarmino Barbosa Lira Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do CT/UFPB Prof. Drª Ana Cristina Taigy Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do CT/UFPB Prof. Drª Nelma Mirian Chagas de Araújo Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba/IFPB Prof. Leonardo Vieira Soares Coordenador do Curso de Graduação em Engenharia Civil

4 Agradecimentos Ao Prof. Belarmino B. Lira, paciente orientador, pela orientação desde o meu 2º período de curso. Às professoras Ana Cristina Taigy e Nelma Mirian Chagas de Araújo, que participaram da banca examinadora e propuseram importantes modificações para apresentação da versão final deste trabalho, contribuindo para que eu o aquilatasse. Agradeço a todos que colaboraram desde o início, de maneira direta e indireta, para que esse projeto fosse concluído. Professores e técnicos do IFPB/Cajazeiras, que me ajudaram a chegar à universidade, agradeço-lhes, em especial aos professores Maria José Araújo (da qual sou fã), Wilza Carla Moreira, Maria do Socorro Costa, Margarida Maria de Araújo e às estimadas assistentes sociais, Maria das Graças e Francisca Lins. Por dividir comigo a convivência na Residência Universitária da UFPB, agradeço à Leogildo Alves, Thaise Amorim, Thiago Trajano, Bárbara e Elisabeth Cristina. Aos meus colegas de estágio: Ramísio Vieira (grande amigo), Pollyanna Gomes, Cinthia Cecília, Janienne Medeiros, Laísa Santos, Aldenor Souza e às minhas supervisoras, Prof. Ana Cristina Taigy (estimada professora e grande profissional), Uyguaciara Castelo Branco e Suzana Guerra. Agradeço ao amigo Gesiel Prado, que me incentivou à pesquisa. Ao meu grande amigo Ranilson Oliveira, pela amizade de longa data, o irmão que escolhi. A minha família, sempre presente: Alzeni Arruda (Mãe), José Manoel (Pai), Amanda Arruda (Irmã), Renata Arruda (Irmã) e Maria José (Prima), meu amores. Ao meu colega de curso, Raphael Wanderley, que me ajudou nos ensaios de laboratório. Também aos meus colegas da ENGEOTEC Jr., especialmente a Jéssika Cahino. Por fim, porém não menos importante agradeço a companhia de Pedro Pereira nos últimos ajustes deste trabalho, por estar sempre me lembrando da hora de estudar. Ao CNPq pelo apoio financeiro.

5 Aos meus pais, Maria Alzeni e José Manoel (Jota), e minhas irmãs Amanda e Renata, que mesmo longe estão sempre presentes. Ao meu porto seguro.

6 Resumo A indústria da construção civil é responsável pelo emprego abundante de diversos recursos naturais e é uma grande geradora de resíduos. A problemática destes resíduos pode ser resolvida, visto que há tecnologia suficiente para seu tratamento e correta disposição final. Este trabalho tem como escopo estudar o reaproveitamento dos resíduos gerados nas instalações de produção de brita oriundas das rochas graníticas que são utilizados como agregado para construção civil. Para se determinar a qualidade do material analisado, os resíduos, foram realizados ensaios de acordo com as normas para agregado miúdo utilizados na construção civil. Tendo as características do resíduo, foram moldados corpos de prova de concreto, onde neste foi substituído totalmente a areia natural pelo resíduo. Foram realizados ensaios de resistência à compressão nos corpos de prova aos setes dias de cura, onde foi obtido uma média de 15,37 MPa para um fck = 20 MPa. Visto que um concreto convencional já adquire resistência próxima ao fck aos setes dias, o valor inferior com a substituição da areia pelo resíduo foi devido ao aumento do consumo de água para se obter o abatimento e trabalhabilidade desejados. Outro fator foi a utilização do resíduo tal como se amostrou na empresa, como o material apresenta uma superfície especifica elevada devido a sua granulometria o fator a/c foi elevado. Para se obter um agregado economicamente viável e com bom desempenho é preciso classificar o material, assim foi proposto em escala industrial a utilização de hidrociclones para se obter cortes granulométricos para eliminação das frações mais finas e assim diminuir o consumo de água possibilitando às suas aplicações, concreto e argamassa, um desempenho aceitável. Desta forma, é possível reaproveitar os resíduos da britagem da rocha granítica, aumentando as reservas de agregados naturais e contribuindo para o desenvolvimento de tecnologias limpas na construção civil. Palavras - chave: Reaproveitamento de resíduos, Construção Civil, Granito.

7 Abstract Civil construction is responsible for a high number of jobs, use several natural solid materials and generate great quantities of residues. As the consequence appears the problems related to the kind of treatment that should be carried out to treat the residues. The target of this work is to study the reutilization of fine material produced at the granit rocks crusher plants, applying it as aggregated by the civil construction. In order to verify the characteristics of the fine residues material the tests according to the fine aggregated civil construction norms were conducted. The analyses of this residue was carried out using standard concrete tests. The sand used in concrete production was replaced by the fine stone residues from crusher plant. For the laboratory production of concrete contained residue the additives were not used. The screen analyses of the residues showed great amount of submesh fraction material. This indicates that the material should be classified by hydrocyclones to remove part of the submesh fraction. The hydrocyclonage is more appropriated to classify fine residues in industrial scale due to operational cost. It was conducted compression resistance test to the concrete at 07 days of curing and was obtained average values of 15,37 MPa for a f ck = 20 MPa. The conventional concrete obtained a resistance close to the f ck at the seven days of curing by the replacing of the natural sand by the fine residues from granit crusher installation. The compression resistance value decreased due to the high water consumption and using residues of the crusher plant without any treatment. This material has higher specific surface because of very fine granulometry. There is a need of classification of this material by hydrocyclones to eliminate the submesh fraction and use the undersize fraction of the hydrocyclone to produced the concrete. The hydrocyclone is efficient in industrial scale for cut size of the fine material. This way the granit rock crusher fine residues may replace natural sand used in the concrete production. This replacement may contribute to preserve the natural sand deposits and to develop the clean technology of the civil construction industry. Key words: Reutilization the residues, Civil construction, Granit.

8 Lista de Figuras Figura 1 Subsetores da indústria da construção civil Figura 2 Esquema de tratamento de rejeito (ARRUDA, 2009) Figura 3 Esquema típico de um hidrociclone (INÊS, 2008) Figura 4 Difratograma de Raio X do Resíduo Figura 5 Curva granulométrica do resíduo (agregado miúdo) Figura 6 Curva granulométrica do agregado (Zona de areia grossa) Figura 7 Curva granulométrica do agregado graúdo Figura 8 Decantação do resíduo Figura 9 Máquina para capeamento dos corpos de prova Figura 10 Granulometria do resíduo classificado por peneiramento Figura 11 Material retido na peneira de 2,36 mm Figura 12 Material retido na peneira de 1,19 mm Figura 13 Material retido na peneira de 600 µm Figura 14 Material retido na peneira de 300 µm Figura 15 Material retido no fundo Figura 16 Aparência do concreto com resíduo Figura 17 Corpo de prova na máquina de ensaio de resistência à compressão Figura 18 Corpos de prova rompidos Figura 19 Resultado da resistência à compressão e flexão, em MPa Figura 20 Interface do programa de otimização de hidrociclones Figura 21 Conjunto de hidrociclones Figura 22 Esquema do processo industrial do resíduo... 49

9 Lista de Tabelas e Quadros Quadro 1 Produção anual brasileira (em toneladas) Quadro 2 Principais utilizações dos agregados Quadro 3 Processo algébrico Tabela 1 Granulometria do resíduo (Agregado miúdo) Tabela 2 Granulometria do agregado graúdo Tabela 3 Granulometria do agregado classificado Tabela 4 resultados da resistência à compressão aos 7 dias... 44

10 Lista de abreviaturas e siglas ABCP ABNT ACI CT LABEME NBR UFPB UFRN UFPE Associação Brasileira de Cimento Portland Associação Brasileira de Normas Técnicas American Concrete Institute Centro de Tecnologia Laboratório de Ensaios de Materiais e Estruturas Norma Brasileira Universidade Federal da Paraíba Universidade Federal do Rio Grande do Norte Universidade Federal de Pernambuco

11 Sumário Capítulo 1 Introdução Justificativa Objetivo Geral Específicos Capítulo 2 Fundamentação teórica A indústria da construção civil Edificações Construção pesada Montagem industrial Agregados Rocha ornamental granito Técnicas de processamento mineral Cominuição Britagem Moagem Classificação Peneiramento Hidrociclonagem Separação gravimétrica Filtragem Flotação Separação magnética Separação eletrostática Técnicas de processamento mineral x Reaproveitamento de resíduos industriais Classificação dos resíduos de britagem do granito Hidrociclone Modelamento matemático Modelo de Lynch-Rao para modelamento de hidrociclones Equações do modelo de Lynch e Rao... 28

12 2.5 Correção granulométrica Processo algébrico Construção gráfica de Ruthfuchs Processo do triângulo Capítulo 3 Metodologia e estudo de aplicação Ensaios em materiais Agregado miúdo (Resíduo de britagem de granito) Granulometria Agregado graúdo Granulometria Concreto Argamassa Capítulo 4 Resultados e discussão Agregado reciclado Concreto Argamassa Processo industrial para reaproveitamento do resíduo Software para otimização de hidrociclone Capítulo 5 - Considerações finais Referências

13 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito 12 Capítulo 1 Introdução A indústria da construção civil é responsável pelo emprego abundante de diversos recursos naturais e grande geradora de resíduos. Com isso, surge a problemática relacionada com o tratamento, reciclagem, reutilização e/ou processamento dos resíduos gerados que são depositados na natureza, agentes de sérios impactos ambientais. O reaproveitamento de resíduos é uma alternativa econômica e ecologicamente viável, que proporciona um destino definitivo para os resíduos oriundos não só da construção civil, como também de indústrias de mineração, por exemplo, extração de mármore e granito. Durante o beneficiamento das rochas naturais, 25% a 30% são transformados em pó, sendo que no Brasil, estima-se que sejam geradas toneladas/ ano de resíduos destas rochas. Sem um direcionamento correto, este pó é depositado em locais totalmente inapropriados, gerando graves impactos ambientais (FORMIGONI, 2006). Em decorrência dessa problemática, se torna imprescindíveis estudos que apontem uma solução, seja em nível de reutilização, reciclagem, processamento ou mesmo correta disposição final destes resíduos. Empregando o resíduo do granito como agregado em argamassas e concretos, seria diminuída a quantidade de componentes destas aplicações que possuem jazidas limitadas, sendo evitadas técnicas de extração danosa e economicamente dispendiosas. Em síntese, se pode afirmar que este uso dos resíduos visa um equilíbrio entre o crescente setor da construção civil e a presente necessidade de preservar jazidas limitadas de recursos naturais. O estado da Paraíba é o terceiro maior produtor de rochas ornamentais da região Nordeste, com isso se nota que com essa quantidade lavrada e beneficiada, principalmente do granito para produção de brita é gerada uma grande quantidade de resíduos de pó de brita, que são despejados na natureza. Esses resíduos podem ser utilizados em várias aplicações e neste projeto se aplica a tecnologia disponível em processamento mineral para produção de agregado para construção civil, aumentando as reservas naturais destes. O campo de estudo do Tratamento de Minérios utiliza diversas técnicas, para separar, classificar e concentrar minérios. Essas técnicas são amplamente utilizadas na indústria da mineração, contudo, também podem ser aplicadas em outros processos. Este estudo aborda a aplicação dos resíduos do processo de britagem do granito para produção de agregado para construção civil. Assim, se tem como produto um material que

14 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito 13 diferente na areia natural, constituída principalmente por quartzo, é uma mistura dos minerais que formam o granito, essencialmente o quartzo, feldspato e a mica. Logo, há a necessidade de controlar a porcentagem desses minerais no agregado em estudo. Para tanto são utilizadas técnicas como peneiramento e hidrociclonagem para se fazer cortes em faixas granulométricas desejadas a fim de obter as características desejadas para o agregado. Na pesquisa se buscou analisar a viabilidade de utilização dos resíduos em questão sem que haja gasto excessivo com seu tratamento, visto que já existem estudos em nível de mestrado e doutorado que contemplam a utilização do resíduo através de tratamento especial. No entanto, estes trabalhos já publicados, em sua maioria, versam apenas aplicações em nível de laboratório, sem avaliar a utilização do resíduo em larga escala. Para avaliar a utilização do resíduo como agregado, foi calculado um traço de concreto com a substituição da areia pelo resíduo e moldados corpos de prova para medir a influência nos resultados na resistência à compressão. Não foi utilizado aditivo plastificante na mistura de concreto, com o propósito de avaliar a trabalhabilidade da pasta sem aditivo. Foi avaliada também a aplicação em argamassa. Buscando alternativa tanto gerencial, como tecnológica dos resíduos do beneficiamento do granito para produção de brita, este projeto reveste-se de uma grande importância, visto a necessidade da indústria da construção civil por materiais de boa qualidade e desempenho, que assim contribuirão para qualidade dos produtos, bem como o aprimoramento de novas tecnologias no âmbito do processo construtivo. Este trabalho se divide em capítulos, que abrangem: Capítulo 1 Introdução, que apresenta a problemática e se discute sua inserção no contexto atual da engenharia; Capítulo 2 Fundamentação teórica, espaço para apresentação do referencial bibliográfico que norteou o trabalho; Capítulo 3 Metodologia e Estudo de aplicação, aborda a metodologia utilizada e a aplicação estudada em concreto e argamassa; Capítulo 4 Resultados e discussões, neste capítulo são apresentados os resultados do estudo de aplicação (avaliação qualitativa e quantitativa); Capítulo 5 Considerações finais, neste se faz um apanhado geral do trabalho, no contexto local (resultados obtidos) e sua relação no contexto de outras pesquisas. 1.1 Justificativa O avanço em pesquisas que proponham alternativas para reaproveitamento/beneficiamento de resíduos é de suma importância visto o impacto ambiental gerado por estes.

15 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito 14 Publicada no Diário Oficial da União de 23 de junho de 2008, a PORTARIA Nº 222, Institui o Plano Nacional de Agregados Minerais para Construção Civil - PNACC, e dá outras providências. Esse plano tem o objetivo de garantir o suprimento adequado de insumos minerais vitais ao crescimento econômico e à melhoria da qualidade de vida da população brasileira. Assim, este trabalho contribui para vitalidade desta portaria, uma vez que aponta soluções para a problemática dos resíduos concomitante a redução da exploração das jazidas naturais dos agregados. Deste modo, a pesquisa reveste-se de uma importância técnicocientífica de controle tecnológico dos resíduos do beneficiamento do granito para produção de brita. 1.2 Objetivo Geral Este trabalho tem como escopo estudar o reaproveitamento dos resíduos gerados nas instalações de produção de brita oriundas das rochas graníticas que são utilizados como agregado para construção civil Específicos Estudar as técnicas de Tratamento de Minérios para aplicação no reaproveitamento dos resíduos de britagem do granito. Avaliar a completa utilização do resíduo, em todas as suas faixas granulométricas.

16 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito 15 Capítulo 2 Fundamentação teórica 2.1 A indústria da construção civil A indústria da construção civil ocupa posição de destaque na economia nacional, sendo responsável por uma parcela significativa do Produto Interno Bruto (PIB) do país. Dados recentes indicam que o macrocomplexo desta indústria responde por 15% do PIB nacional (SOUZA, 2004). A construção civil está entre os principais complexos produtivos que mais consomem Minerais Industriais (CIMINELLI, 2003). Segundo Mariano (2008), esta também é líder em geração de resíduos, e isto pode ser observado desde a produção de insumos, que caracteriza a geração anterior à própria etapa construtiva. A referida indústria representa um segmento de grande importância para o desenvolvimento e crescimento do país. É necessário observar também que isso é devido a algumas especificidades desse setor, tais como: baixa relação capital/produto; utilização intensa de mão-de-obra, incluindo-se nesta a inserção de operários com baixo nível de escolaridade; reduzidos níveis de importação (MELLO, 2009). A construção civil é dividida em subsetores, sendo que esta divisão pode variar entre alguns autores. A Fundação João Pinheiro (1992) considera três subsetores principais: Edificações, Construção Pesada e Montagem Industrial, esta classificação é a mais utilizada na literatura Edificações Trata-se do subsetor em que se enquadram as construções de edifícios comerciais ou industriais, de ordem pública ou privada. Este subsetor pode ser representado por empresa de pequeno e médio porte, mas também de grande porte (ARAÚJO, 2002) Construção pesada Obras de saneamento, barragens, hidroelétricas, túneis, dutos e obras de tecnologia especial são exemplos de obras incluídas nesse subsetor. Por ser um subsetor onde são aplicados grandes investimentos, geralmente estatais, é representado por empresas de grande porte (ARAÚJO, 2002).

17 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito Montagem industrial Neste subsetor, atuam empresas voltadas para a montagem de estruturas para a instalação de indústrias, de sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica e de sistemas de telecomunicações (MOURA, 1998). Figura 1 Subsetores da indústria da Construção Civil. Indústria da construção civil Edificações Construção pesada Montagem industrial 2.2 Agregados O termo agregados para a construção civil é empregado no Brasil para identificar um segmento do setor mineral que produz matéria-prima mineral bruta ou beneficiada de emprego imediato na indústria da construção civil. São basicamente a areia e a rocha britada (VALVERDE, 2001). Agregados para Construção Civil são materiais granulares, sem forma e volume definidos, de dimensões e propriedades estabelecidas para uso em obras de engenharia civil, tais como, a pedra britada, o cascalho e as areias naturais ou obtidas por moagem de rocha, além das argilas e dos substitutivos como resíduos inertes reciclados, escórias de aciaria, produtos industriais, entre outros. Os agregados são abundantes no Brasil e no mundo (DNPM, 2009). Os agregados podem ser naturais ou artificiais. Os naturais são os que se encontram de forma particulada na natureza (areia, cascalho ou pedregulho) e os artificiais são aqueles produzidos por algum processo industrial, como as pedras britadas, areias artificiais, escórias de alto-forno, argilas expandidas, resíduos da construção civil e mineração, entre outros. A ABNT NBR 7211 fixa as características exigíveis na recepção e produção de agregados, miúdos e graúdos, de origem natural, encontrados fragmentados ou resultantes da britagem de rochas. Dessa forma, define areia ou agregado miúdo como areia de origem natural ou resultante da britagem de rochas estáveis, ou a mistura de ambas, cujos grãos passam pela peneira ABNT de 4,8 mm e ficam retidos na peneira ABNT de 0,075 mm. Define ainda agregado graúdo como pedregulho ou brita proveniente de rochas estáveis, ou a mistura

18 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito 17 de ambos, cujos grãos passam por uma peneira de malha quadrada com abertura nominal de 152 mm e ficam retidos na peneira ABNT de 4,8 mm. Minerações típicas de agregados para a construção civil são os portos-de-areia e as pedreiras, como são popularmente conhecidas. Entretanto, o mercado de agregados pode absorver produção vinda de outras fontes. No caso da areia, a origem pode ser o produtor de areia industrial ou de quartzito industrial, ambas geralmente destinadas à indústria vidreira e metalúrgica (VALVERDE, 2001). Quadro 1 Produção anual brasileira (em toneladas) Bem Mineral Areia (10 6 t) 244,4 240,8 214, Brita (10 6 t) 190,6 189,8 168, Total (10 6 t) ,6 383, Fonte: DNPM (2009) Pelo quadro acima é perceptível o crescente consumo de agregados pela construção, assim verifica-se também em ordem direta o crescimento do montante de resíduos do processo de produção de brita, poluindo o meio ambiente. Assim, o projeto contempla aspectos econômicos e grandes ganhos na redução de resíduos em áreas urbanas e/ou rurais. Agregado Areia Artificial e Areia Natural Pedrisco Brita 1 Brita 2 Brita 3 Brita 4 Rachão, pedra de mão ou pedra marroada Quadro 2 Principais utilizações dos agregados Utilização Assentamento de bloquetes, tubulações em geral, tanques, emboço, podendo entrar na composição de concreto e asfalto. Confecção de pavimentação asfáltica, lajotas, bloquetes, intertravados, lajes, jateamento de túneis e acabamento em geral. Intensivamente na fabricação de concreto, com inúmeras aplicações, como na construção de pontes, edificações e grandes lajes. Fabricação de concreto que exija maior resistência, principalmente em formas pesadas. Também denominada pedra de lastro utilizada na ferrovias. Produto destinado a obras de drenagem, como drenos sépticos e fossas. Fabricação de gabiões, muros de contenção e bases. Brita graduada Em base e sub-base, pisos, pátios, galpões e estradas. Fonte: KULAIF (2001) apud DNPM (2009)

19 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito 18 O quadro 2 mostra a vasta aplicação dos agregados, seja artificial ou natural, na construção civil. O controle tecnológico dos agregados é de suma importância, pois refletirá posteriormente na qualidade do material. Assim, é necessário que haja pesquisas para o desenvolvimento e aperfeiçoamento de aplicações de agregados na construção, visto o crescimento da indústria da construção e a necessidade de materiais mais resistentes e versáteis. 2.3 Rocha ornamental Granito As rochas ornamentais são materiais que agregam valor principalmente através de suas características estéticas, destacando-se o padrão cromático, desenho, textura e granulação. No tocante à classificação comercial, os principais tipos de rochas ornamentais são os granitos e os mármores. Para o setor, o termo granito designa um amplo conjunto de rochas silicáticas, compostas predominantemente por feldspatos e quartzo. Abrangem rochas homogêneas (granitos, sienitos, monzonitos, charnoquitos, diabásios, basaltos, etc...) e as chamadas movimentadas (gnaisses e migmatitos). O Brasil possui uma das maiores reservas mundiais de granitos (superiores a m³), sendo a extração realizada diretamente dos maciços rochosos, bem como dos matacões isolados sobre existentes (DUTRA, 2006). O granito é uma rocha plutônica ácida, com aproximadamente 75% de sílica; cristais de 1 a 5 mm, ou maiores; de cor cinza. Sua taxa de ruptura sob compressão é de aproximadamente 90 MPa. Esta rocha geralmente fornece agregados de excelente qualidade, pois são resistentes, tem baixa porosidade e absorção de água e não reagem com os álcalis do concreto de cimento Portland. As rochas graníticas possuem uma grande diversidade de tipos e cores, destacando-se o preto, branco, azul, marron, amarelo e verde, além dos movimentados. Algumas rochas produzidas no estado da Paraíba são conhecidas com os seguintes nomes comerciais: Preto São Marcos, Azul Sucuru, Green Space, Bordeaux Fuji, Branco Fuji, Marron Madeira, Juparaná Florença, Róseo Picuí, Gold Fuji e Branco Floral (PARAHYBA, 2009). A Paraíba é o terceiro maior produtor de rochas ornamentais da região Nordeste, com a mineração de rochas graníticas e quartizíticas, estando em primeiro e segundo lugar, Bahia e Ceará, respectivamente. Os quartzitos apresentam-se como as opções populares para revestimento, com a produção de ladrilhos de baixo custo, oriundos de jazidas situadas em Junco do Seridó e Várzea (Santos, 2002, apud PARAHYBA, 2009).

20 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito Técnicas de processamento mineral O tratamento de minérios ou processamento mineral é o campo que se dedica à redução e separação de tamanhos de produtos minerais e à separação das espécies minerais presentes nos minérios, para obtenção de concentrados e produtos aceitáveis pelo mercado, dentro das especificações demandadas pela sua utilização final. O mineral ao passar pelo processo de beneficiamento há alterações relacionadas na sua granulometria, mas não são alteradas suas características químicas, os métodos e separação e classificação são essencialmente físicos para que não se altere a estrutura interna da matéria (CHAVES, 2006). A seguir são apresentadas as técnicas: cominuição, peneiramento, hidrociclonagem, concentração gravimétrica, separação magnética, eletrostática, espessamento, filtração e flotação, onde serão apresentados os conceitos e aplicações. Essas técnicas selecionadas podem fazer parte de um processo para obtenção de agregados reciclados com maior qualidade, contudo, algumas acarretam alto custo, assim, se dá ênfase ao processo de cominuição e classificação Cominuição A operação unitária de cominuição está presente na maioria dos procedimentos de processamento mineral. A operação de fragmentação, no campo de beneficiamento de minérios, agrupa um conjunto de técnicas que tem por finalidade reduzir, por ação mecânica externa e algumas vezes interna, um sólido, de determinado tamanho em fragmentos de tamanho menor (FIGUEIRA, 2004). Podemos destacar a cominuição de dois tipos de materiais, homogêneos e heterogêneos. A cominuição de materiais heterogêneos visa separar os minerais mais valiosos dos minerais de ganga, mineral sem interesse econômico, enquanto que no mineral homogêneo o objetivo é reduzir à granulometria requerida para liberação do mineral-minério (LIRA, 1990, 2005). Os processos de cominuição são basicamente divididos em 2 classes distintas: britagem, que corresponde à etapa inicial, e moagem, etapa final da cominuição Britagem Britagem é um processo que se aplica quando a redução de tamanho envolvida visa a obtenção de um produto com granulometria superior a 10 mm. A mesma se desenvolve em

21 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito 20 estágios seguintes: britagem primária, secundária, terciária e eventualmente quaternária. Em cada estágio obtém-se uma determinada relação de redução, definida pelo quociente da dimensão da alimentação pela dimensão do produto. A relação ideal é a de 4 para 1. Os mecanismos envolvidos compreendem basicamente impacto, compressão e cisalhamento. Os equipamentos tradicionalmente utilizados são os britadores giratórios, de mandíbulas, cônicos, de rolos e de impacto, horizontal e vertical (DUTRA, 2008) Moagem Enquanto a britagem se aplica quando a redução de tamanho envolvida visa a obtenção de produtos com granulometria superior a 10 mm, a moagem se aplica à granulometria inferior a 10 mm. A moagem também se desenvolve em gradativos estágios, considerando-se as relações de redução pertinentes. Os mecanismos envolvidos compreendem basicamente impacto, compressão e cisalhamento, como na britagem. Os equipamentos mais usados são os moinhos tubulares rotativos (bolas e barras), vibratórios, de rolos e de impacto (DUTRA, 2008, LIRA,1990) Classificação Peneiramento O peneiramento consiste na separação de um material em duas ou mais classes, estando estas limitadas uma superior e outra inferiormente. No peneiramento a úmido adiciona-se água ao material a ser peneirado com o propósito de facilitar a passagem dos finos através da tela de peneiramento. O material retido na tela da peneira é denominado oversize e o passante, undersize. (CARRISO, 2004). Os peneiramentos industriais a seco são realizados, normalmente, em frações granulométricas de até 6 mm. Entretanto, é possível peneirar a seco com eficiência razoável em frações de até 1,7 mm. A úmido, o peneiramento industrial é normalmente aplicado para até 0,4 mm, mas recentemente tem sido possível peneirar partículas mais finas, da ordem de 50 µm (CARRISO, 2004).

22 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito Hidrociclonagem Os hidrociclones são equipamentos de classificação que dividem as partículas do fluxo de entrada, imersas em líquido, em duas correntes: uma superior, que leva ao overflow do classificador, e transporta as partículas mais leves; e uma inferior, que leva ao à descarga, ou underflow, do classificador, e transporta as partículas mais pesadas. Dezenas de variáveis determinam a eficiência de classificação, incluindo fatores relacionados à geometria do hidrociclone, às condições operacionais e as características do material a ser classificado Separação gravimétrica A concentração gravimétrica, ou gravítica, foi a principal ferramenta de beneficiamento de minérios até o início do Século XX, quando ocorreu o advento da flotação. Atualmente ainda é um método importante, principalmente por apresentar bons resultados com baixo custo. É um processo que se baseia na diferença de densidade existente entre os minerais presentes, utilizando-se de um meio fluido, água ou ar, para realizar a separação. Os equipamentos tradicionalmente utilizados são os jigues, mesas vibratórias, espirais, cones e sluices (DUTRA, 2008) Filtragem A filtragem é uma importante fase do processamento industrial em praticamente todos os campos de produção de materiais. É definida como a operação de sólidos contidos numa polpa onde a fase liquida, denominada filtrado, é forçado a passar através de um meio poroso, chamado de meio filtrante, enquanto que a fase sólida, torta da filtração, forma uma camada sobre a superfície do meio poroso (LUZ, 1995). O processo pode ser conduzido de forma contínua ou intermitente, sob a ação de vácuo ou pressão induzida. Os equipamentos tradicionalmente utilizados são os filtros a vácuo (tambor, disco, correia etc.) o os filtros prensa (DUTRA, 2008) Flotação A aplicação dos princípios da termodinâmica para o sistema de flotação tem contribuído significativamente para o entendimento dos princípios básicos do sistema de

23 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito 22 flotação. Quando aplicado a sistemas físicos e químicos, a flotação, os princípios termodinâmicos seguem os seguintes tópicos: As condições químicas da substância, ou os diferentes estados físicos da mesma substância existem equilíbrio. Quando especificado as condições químicas da reação, ou a mudança de fase ocorre de forma espontânea. A relação entre a mudança de calor e outras formas de energia em uma reação química por mudança de fase. O efeito da temperatura nas reações químicas e na fase de equilíbrio (GOLDAN, 1976). Atualmente é usado no tratamento de quase todos os tipos de minérios, devido à sua grande versatilidade e seletividade. Permite a obtenção de concentrados com elevados teores e expressivas recuperações. É aplicado tanto no beneficiamento de minérios com baixo teor, quanto nos que exigem moagem fina para se atingir a liberação desejada. O processo se baseia no comportamento físico-químico das superfícies das partículas minerais presentes numa suspensão aquosa. A utilização de reagentes específicos, denominados coletores, depressores e modificadores, permite a recuperação seletiva dos minerais de interesse por adsorção em bolhas de ar. Os equipamentos tradicionalmente adotados se dividem em 2 classes, mecânicos e pneumáticos, dependendo do dispositivo utilizado para efetivar a separação. A flotação é adotada na produção de areias quartzosas de elevada pureza, cloretos, feldspatos, fluorita, fosfatos, magnesita, sulfetos, talco etc (DUTRA, 2008) Separação magnética A separação magnética é um método consagrado na área de processamento de minérios para concentração e/ou purificação de muitas substâncias minerais. Pode ser empregada, dependendo das diferentes respostas ao campo magnético associadas às espécies mineralógicas individualmente, no beneficiamento de minério e na remoção de sucata (LUZ at al, 1995). A propriedade de um material que determina sua resposta a um campo magnético é chamada de susceptibilidade magnética. Com base nessa propriedade os materiais ou minerais são classificados em duas categorias: aqueles que são atraídos pelo campo magnético e os que são repelidos por ele. No primeiro caso tem-se os minerais ferromagnéticos, os quais são

24 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito 23 atraídos fortemente pelo campo, e os paramagnéticos, que são atraídos fracamente. Aqueles que são repelidos pelo campo denominam-se de diamagnéticos. O procedimento pode ser feito tanto a seco como a úmido. O método a seco é usado, em geral, para granulometria grossa e o a úmido para aquelas mais finas (LUZ, 1995) A separação magnética é adotada na produção de areias quartzosas, feldspatos, nefelina sienitos e para separar do lixo objetos de metal que serão reciclados Separação eletrostática A separação eletrostática é um processo de concentração de minérios que se baseia nas diferenças de algumas de suas propriedades, tais como: condutibilidade elétrica, susceptibilidade em adquirir cargas elétricas superficiais, forma geométrica, densidade entre outras. Para promover a separação é necessária a existência de dois fatores elétricos: um campo elétrico de intensidade suficiente para desviar uma partícula eletricamente carregada, quando em movimento na região do campo; carga elétrica superficial das partículas, ou polarização induzida, que lhes permitam sofrer a influência do campo elétrico (LUZ,1995). O termo eletrostático é empregado com freqüência porque os primeiros separadores eram de natureza puramente eletrostática, sem o chamado fluxo iônico. Atualmente são usados equipamentos avançados, com maior aplicação comercial, em que a energia elétrica é aplicada em forma de fluxo iônico e denominada de eletrodinâmica. O sucesso da separação eletrostática dos minerais está relacionado à eficiência do mecanismo de eletrização dos mesmos. As espécies mineralógicas devem responder de forma diferente tanto ao carregamento superficial de cargas como ao campo elétrico aplicado a elas, e, ainda, à sua natureza, composição química etc (LUZ, 1995). Para que ocorra a separação dos minerais os mesmos devem estar individualizados, o que favorece a sua eletrização seletiva. Outro fator a ser considerado é o limite inferior da granulometria de liberação que deve ser da ordem de 20 µm. Em tais condições deve haver uma quantidade mínima de massa, suficiente para que haja uma atração efetiva por parte da força elétrica aplicada. Dentre os processos de eletrização, três deles apresentam relevância para o método de separação. São usadas eletrizações por contato ou atrito, por indução e por bombardeamento iônico. Cada processo proporciona, certo aumento na carga superficial das partículas; no entanto, as operações práticas são levadas a efeito por dois ou mais mecanismos conjuntamente (LUZ,1995).

25 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem britagem de granito Técnicas de processamento mineral x Reaproveitamento de resíduos industriais Pesquisas do grupo de Tecnologia Mineral e Ambiental da UFPB já chegaram a bons resultados com a reutilização dos resíduos industriais do beneficiamento do caulim, pó cerâmico, vindo da indústria de porcelanato e gesso, da construção construção civil. Estes resíduos foram estudados na composição de uma argamassa com propriedades termo acústicas e também, a partir dos resíduos de gesso, produzir anidrita1 (LIRA, 2009). Antes de estes resíduos serem aplicados passaram por um processo de separação e classificação para concentrar o material desejado. Assim, pode ser feito f semelhante com o resíduo dee britagem do granito, pois assim é possível concentrar o material em faixas granulométricas distintas, resultando em diferentes agregados. A figura 2 apresenta um esquema dos processos de tratamento de minérios e sua aplicação para o reaproveitamento reaproveitam dos resíduos industriais: Figura 2 Esquema de tratamento de rejeito (ARRUDA RRUDA, 2009). Fonte: Autor 1 (CaSO4). Forma anidra da gipsita, diidratado do sulfato de cálcio (CaSO4.2H2O).. Um dos principais minerais de sulfato de cálcio e, na natureza, é freqüentemente encontrado associado à gipsita. Em laboratório é obtido pela desidratação da gipsita.

26 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito 25 Esse esquema é uma forma generalizada para resíduos industriais. No caso em estudo, resíduos da britagem do granito, as etapas aplicáveis correspondem ao peneiramento (em escala experimental) e classificação (em escala industrial). As outras etapas deixariam o projeto de reaproveitamento dispendioso, sendo que com a classificação já se tem um bom resultado Classificação dos resíduos de britagem do granito Hidrociclone O hidrociclone, também conhecido por ciclone hidráulico, ciclone de liquido, separadores centrífugos, é um importante aparelho destinado a separação de suspensões, em geral, sólido-líquido que se caracteriza por usar o efeito de centrifugação como principal agente de classificação de partículas minerais, separando-as por tamanho (SOCCOL, 2003; BARBOSA, 2008). Atualmente, na maioria das aplicações, os hidrociclones vêem substituindo os classificadores verticais, tipo de classificador que leva em conta o efeito da densidade das partículas e são usualmente utilizados em regime de sedimentação impedida CARRISSO (2004). Abaixo são citadas algumas das principais aplicações para os hidrociclones segundo Carrisso (2004): Espessamento - elimina a maior parte da água de uma polpa; Deslamagem - elimina as partículas mais finas. Isto é normalmente necessário para os processos de separação magnética a úmido, filtração, etc; Classificação - frequentemente utilizado no fechamento de circuito de moagem onde o underflow do hidrociclone retorna ao moinho; Classificação e Peneiramento; Classificação seletiva por meio de uma configuração de hidrociclones em série, é possível obter-se um conjunto de produtos com granulometria definida; Pré-concentração - utilizando hidrociclones de fundo chato, pode-se realizar concentração por gravidade onde os minerais mais densos são descartados pelo underflow. Na Figura 3 é apresentado um hidrociclone convencional, o qual consiste em uma câmara cilíndrico-cônica com entrada tangencial e duas saídas de material. O material de alimentação do hidrociclone consiste numa polpa, que é geralmente composta pela mistura de

27 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito 26 água e minério em proporções de sólido-líquido preestabelecidas. Essa polpa é injetada sob pressão por uma entrada tangencial. A mesma segue uma trajetória helicoidal no interior do hidrociclone criando uma região de baixa pressão no centro do equipamento. As partículas são separadas sob ação de duas forças, a centrífuga e da gravidade, assim, as partículas mais densas acumulam-se nas paredes do classificador devido a força centrífuga e saem pelo orifício inferior, underflow,, devido a ação da força da gravidade. As partículas mais finas concentram-se no centro ou vórtex do aparelho e tendem a sair pelo rebalse gerando o overflow (BARBOSA, 2008; CARRISSO, 2004). Figura 3 Esquema típico de um hidrociclone (INES, 2008). Fonte: Inês (2008) Por trabalhar através de consumo de energia elétrica para alimentação de corrente na bomba de polpa, o processo de hidrociclonagem pode tornar um problema ao invés de uma solução (economicamente viável). A análise de circuitos que operam com hidrociclones mostram que o manuseio inapropriado de suas funções acarreta grandes perdas, tanto energética, pois o material passaria mais tempo sendo processado para se chegar na granulometria desejada, quanto perda de material, pois em condições de operação deficientes a eficiência de classificação do hidrociclone é prejudicada. Com a possibilidade de se enfrentar um problema de geração de resíduos para beneficiamento de um material que já é um resíduo, é preciso buscar uma alternativa que anule ou minimize esses erros de operação com hidrociclones. A geração de resíduos resulta das falhas no controle das variáveis de operação do aparelho, para tanto, pode-se utilizar do

28 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito 27 modelamento matemático deste para determinar as condições ótimas de funcionamento. Assim, através de ferramenta computacional todas as variáveis de operação do hidrociclone são trabalhadas de forma otimizada Modelamento matemático O desenvolvimento de processos e modelos matemáticos voltados à otimização do circuito de classificação explica-se pela vasta utilização de moinhos e hidrociclones operando em circuito fechado, em diversas aplicações industriais de grande relevância sócio-econômica (LIRA,1990; KOMUENCH, 2000 apud BARBOSA, 2008). São inúmeras as atividades industriais que se utilizam dos hidrociclones como classificador. Essa vasta aplicação dos hidrociclones se dá por especificações técnicas que lhe atribuem uma série de vantagens em relação a outros métodos de classificação de partículas, onde se pode citar seu baixo custo de investimento e operação, são compactos, não apresentam partes móveis e não agridem o meio ambiente (KAPUR, 1998 apud BARBOSA, 2008). Modelos matemáticos constituem uma ferramenta poderosa para avaliação, otimização, controle e dimensionamento dos equipamentos utilizados na indústria de processamento mineral. A utilização destes modelos possibilita uma melhor eficiência operacional dos circuitos instalados e permite implementar métodos confiáveis no dimensionamento de novas instalações, baseados em dados laboratoriais, planta piloto e usinas. A concorrência e exigência do mercado, bem como o crescente custo dos insumos, principalmente o energético, vem solicitando à indústria mineral uma melhoria na eficiência operacional de suas usinas. Dentro deste contexto os circuitos de cominuição/classificação possuem um papel fundamental, tanto do ponto de vista de custo global da operação como na qualidade do produto Modelo de Lynch-Rao para modelamento de hidrociclones Baseado nas dimensões geométricas e uma extensiva quantidade de dados operacionais dos hidrociclones industriais, Lynch e Rao desenvolveram as equações destes equipamentos para estabelecer sua característica de desempenho. As mudanças nas variáveis denominadas: Capacidade (Q); Tamanho de classificação (d 50 ); Recuperação de água no

29 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito 28 underflow (R f ) e Recuperação volumétrica da polpa no underflow (R V ), são controladas pelas seguintes variáveis que podem ser ajustadas: Diâmetro do Vortex Finder ; Diâmetro do Spigot ; Pressão de alimentação; Concentração de sólidos na polpa. A influência do inlet, ângulo do cone e comprimento do hidrociclone são quantificados nas equações apresentadas posteriormente. Entretanto, as características do minério no comportamento dos hidrociclones não são incorporadas. Em conseqüências, um extensivo número de dados em pelo menos um dos classificadores a ser analisado, são requeridos para determinar as constantes que dependem do material. O modelo consiste numa série de equações que descrevem: relação entre vazão do ciclone e a pressão da alimentação; curva padrão de partição; vazão de água; d50c (diâmetro mediano de partição, corrigido) (CHAVES, 2006). São definidas como variáveis de projeto: os diâmetros do vortex finder, apex e da entrada de alimentação. São definidas como variáveis de operação: vazão, porcentagem, de sólidos na alimentação e distribuição granulométrica da alimentação (CHAVES, 2006). O método de Lynch e Rao é válido para hidrociclones industriais de 15 a 26 polegadas de diâmetros os quais tratam polpas com 0 a 70% de sólidos em peso sob pressão acima de 4psi (GUTIÉRREZ, 1985 apud BARBOSA, 2008). Trabalhando as equações de Lynch e Rao de forma geral, permite também, o trabalho com ciclones de diâmetros menores. O diâmetro do apex ou spigot deve ser menor que o diâmetro do vórtex finder e a porcentagem de sólido no underflow deve ser menor que um certo valor limite com vistas a evitar o roping effect que ocorre quando o material da polpa se deposita na parte cônica do hidrociclone fazendo com que o produto da descarga seja expelido em forma de corda.(barbosa, 2008) Equações do modelo de Lynch e Rao O modelo de Lynch e Rao é descrito pelas 4 equações abaixo, que são respectivamente: Equação da capacidade volumétrica, distribuição de água, d 50 corrigido e curva de eficiência reduzida (BARBOSA, 2008).

30 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito 29 =...( ) ( Equação da capacidade volumétrica) [1] Onde: Q = volume de polpa na alimentação do ciclone (m³/h); p = pressão na alimentação do ciclone (psi); d VF = diâmetro de vótex finder (pol); PS F = porcentagem de sólido em peso da alimentação do hidrociclone; A 0, A 1, A 2, A 3 = constantes típicas para o sistema mineral-hidrociclone. = (Equação de distribuição de água) [2] Onde: W OF = fluxo de massa de água no overflow (t/h); W F = fluxo de massa da água na alimentação (t/h); d spig = diâmetro do apex (pol); B 0, B 1, B 2 = constantes típicas para cada sistema mineral-hidrociclone investigado ( )= (Equação de d 50 corrigido) [3] Onde: d 50c = tamanho de partícula em micrometros, material com mesma probabilidade de aparecer no overflow e no underflow ; C 0, C 1, C 2, C 3, C 4 = constantes típicas para cada sistema mineral-hidrociclone investigado. = (Equação para a curva de eficiência reduzida) [4] Onde: α = parâmetro característico do material sendo classificado; d = tamanho da partícula (µm); d 50c = valor de d 50 corrigido (µm); y = eficiência corrigida para partículas de tamanho d (eficiência reduzida para partículas com tamanho adimensional d/d 50 ).

31 Arruda, R. Reaproveitamento de resíduos de britagem de granito Correção granulométrica Com o exposto sobre a obtenção de cortes granulométricos através da hidrociclonagem, surge então a possibilidade de correções granulométricas por meio dos produtos da classificação realizada. Caso haja a necessidade de um material com uma granulometria específica é possível obtê-la com a mistura de dois ou mais materiais, a fim de que esta mistura se enquadre na granulometria desejada. Para tanto, existem processos clássicos para essa correção em solos, apresentado pelo Caputo (1983): Processo algébrico, Processo do Triângulo e Construção Gráfica de Rothfuchs. Esses métodos são aplicados para diferentes tipos de solo, logo, para utilizá-los nesse trabalho se tomou precauções quanto à sua aplicação. Os processos, abaixo expostos, passaram por adaptações de cálculo para se trabalhar com o resíduo de britagem de granito, pois ao contrário da aplicação geral dos métodos, não existem granulometrias diferentes de solos distintos, apresentam-se granulometrias diferentes de um mesmo tipo de solo, o resíduo em questão Processo Algébrico: Desejando compor uma mistura com três materiais, por exemplo, M 1, M 2, M 3, cujas porcentagens dos três agregados são, a, b e c são representadas no quadro 3, admite-se que as porcentagens desejadas para a mistura sejam A, B e C, respectivamente. Quadro 3 Processo algébrico Porcentagens Componentes M 1 M 2 M 3... Mistura estabilizada Agregado grosso a 1 a 2 a 3 a n A d > 2 mm Agregado fino b 1 b 2 b 3 bn B 0,074 mm < d < 2 mm Material Ligante c 1 c 2 c 3 c n C d < 0,074 mm Totais Mistura X 1 X 2 X 3 X n Para encontrar as porcentagens dos agregados necessários para correção, se utiliza da resolução de sistemas lineares. Greco (2011) diz que o projeto de misturas deve considerar o número de materiais a serem misturados e as tolerâncias das especificações a serem atendidas.

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