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3 1 CONCRETO COM AGREGADOS GRAÚDOS RECICLADOS REFORÇADO COM FIBRAS DE AÇO STEEL FIBER REINFORCED CONCRETE WITH RECYCLED COARSE AGGREGATE Ivie Pietra (1); Antonio D. de Figueiredo (2) (1) Eng. Civil, Aluna de Mestrado da Escola Politécnica da USP. (2) Eng. Civil, Prof. Doutor da Escola Politécnica da USP. Resumo As fibras de aço, mesmo quando utilizadas em baixos teores, conferem ao concreto um comportamento pseudo-dúctil ao atuarem como ponte de transferência de tensões pelas fissuras, dificultando a propagação das mesmas. Também são notórios o problema ambiental gerado pelos resíduos de construção e demolição e a importância que têm as pesquisas que objetivam reaproveitar este material. Uma alternativa de reciclagem dos resíduos de construção e demolição que tem sido pouco pesquisada é a substituição dos agregados naturais do concreto reforçado com fibras de aço por agregados reciclados. Como é grande a variabilidade dos agregados reciclados, o controle de sua porosidade, através de sua separação em diferentes faixas de massa específica, é importante para viabilizar ou otimizar o uso do concreto com agregados reciclados reforçado com fibras de aço. Este trabalho apresenta os resultados de um estudo sobre a influência do teor de fibras de aço nas tensões de ruptura à tração na flexão e residuais (pós-fissuração) dos concretos convencional e com agregados reciclados de entulho. Os resultados mostram que houve perda da resistência tanto de ruptura quanto residuais dos concretos com agregados reciclados em relação aos com agregados naturais. Entretanto, com o aumento do teor de fibras, o comportamento do concreto com agregados reciclados se aproximou daquele obtido para o concreto convencional. Abstract The steel fibers, even when used in low contents, provide to the concrete a pseudoductile behavior, acting as tensions transfer bridge through the cracks, controlling their propagation. The environmental problem generated by the construction and demolition waste and the importance of researches that aims to recycle this material are also notorious. Studies have been made in order to achieve viable options for residues recycling methods. One of then is the use of the recycled coarse aggregates in substitution of the natural aggregates for fiber reinforced concretes. Because of the high variability of aggregates produced from construction and demolition waste, the control of their porosity by separation of the recycled aggregate in different ranges of density is important to optimize the use of these aggregates. This work presents the results of an experimental evaluation of mechanical behavior of the concretes reinforced with different contents of steel fibers, with natural and recycled coarse aggregate. The results indicate that the difference between the flexural and residual strength of concrete with recycled aggregates and concrete with natural aggregates can diminish with increases on the fiber content.

4 2 1. Introdução No concreto simples, uma fissura impede a transferência de tensões, que se concentram na extremidade da fissura, fazendo com que sua propagação seja rápida e haja a ruptura frágil do material. As fibras de aço, mesmo quando utilizadas em baixos teores, conferem ao concreto um comportamento pseudo-dúctil ao atuarem como ponte de transferência de tensões pelas fissuras, dificultando a propagação das mesmas. Desse modo, o material passa a ter capacidade portante mesmo após a fissuração do concreto. O nível de tensão que a fibra consegue transferir pelas fissuras depende de uma série de aspectos como o seu comprimento e o teor de fibras (FIGUEIREDO, 2000). Uma maneira de se avaliar a influência do teor de fibras no nível de tensão que a fibra consegue transferir pelas fissuras é através da determinação das tensões residuais, isto é, da capacidade portante pós-fissuração do material. As tensões residuais podem ser determinadas a partir de curvas carga por deflexão, que, por sua vez, podem ser obtidas através do ensaio de tração na flexão com deformação controlada. Em relação ao concreto convencional, o concreto reforçado com fibras de aço apresenta maior tenacidade, maior resistência ao impacto e maior resistência à fadiga. Por essas razões, essa tecnologia já encontra um razoável mercado no país, principalmente no que se refere à execução de pavimentos industriais. Também são notórios os problemas gerados pela disposição de Resíduos de Construção e Demolição (RCD). Devido à incessante disposição de grandes volumes de entulho nos bota-foras e ao seu conseqüente esgotamento, grandes volumes de resíduos de construção e demolição são dispostos em áreas irregulares. Estima-se que, atualmente, 68,5 milhões de toneladas de RCD sejam produzidas por ano no Brasil. Os impactos gerados no território urbano por esse processo são diversos: extenso comprometimento da qualidade do ambiente e da paisagem local, prejuízos às condições de tráfego de pedestres e de veículos e, principalmente, impactos em relação à drenagem urbana. Além disso, a presença dos resíduos de construção e demolição e outros resíduos cria um ambiente propício para a proliferação de vetores prejudiciais às condições de saneamento e à saúde humana. A reciclagem desses resíduos é uma maneira de combater esse grave problema. Uma das alternativas de reciclagem de RCD que tem sido pesquisada atualmente (LEVY, 2001; LEITE, 2001; CARRIJO, 2005) é o processamento desse resíduo para ser utilizado como agregado na produção de concreto. Uma alternativa de reciclagem dos resíduos de construção e demolição que tem sido pouco pesquisada é a substituição dos agregados naturais do concreto reforçado com fibras de aço por agregados reciclados. BANTHIA e CHAN (2000) avaliaram o uso de agregados reciclados no concretro projetado reforçado com fibras de aço e comprovaram sua viabilidade. 2. A reciclagem dos resíduos de construção e demolição A reciclagem de resíduos de construção e demolição foi implantada e consolidou-se na Europa Ocidental, no Japão e nos EUA (PINTO, 1999). Na Comunidade Européia, cerca de 50 milhões de toneladas de resíduos de construção e demolição estão sendo reaproveitadas por ano, valor que corresponde a aproximadamente 28% do total gerado com potencial de reaproveitamento (DORSTHORST; HENDRIKS, 2000). Do total reciclado, cerca de 10% são utilizados como agregados para a produção de concreto, 32% em bases de estradas e 58% para enchimentos (ALAEJOS et al., 2004). No Japão, dois terços do resíduo de concreto demolido são utilizados na

5 3 pavimentação de rodovias (VÁZQUEZ; BARRA, 2000). No Brasil, a maior parte dos resíduos de construção e demolição gerados é disposta em aterros sanitários, bota-foras ou em áreas irregulares. Apenas uma pequena parcela dos RCD gerados no Brasil é utilizada em bases de pavimentação e como agregado na produção de blocos de concreto e na produção de concreto para a construção de calçadas. Entretanto, segundo o Artigo 13 da Resolução CONAMA 307 de 05 de julho de 2002, que estabelece diretrizes, critérios e procedimentos para a gestão dos resíduos da construção civil, os Municípios e o Distrito Federal deverão cessar a disposição de RCD em aterros de resíduos domiciliares e em áreas de botafora Controle da qualidade do concreto com agregados reciclados As características dos resíduos de construção e demolição variam muito, pois esses resíduos não são gerados a partir de um processo industrial. ANGULO (2000) analisou, através do método de separação manual, a composição de algumas amostras de agregados graúdos reciclados obtidos na Central de Reciclagem de Santo André e verificou que as quantidades encontradas para cada tipo de material são bastante variáveis conforme se observa na Tabela 1. Tabela 1 Variabilidade na composição apresentada por amostras de agregados reciclados da Central de Santo André (ANGULO, 2000). Quantidade Concreto Argamassa Rocha Cerâmica (%) máxima mínima ,1 Como os agregados exercem influência sobre as propriedades do concreto (MEHTA; MONTEIRO, 1994), o controle da composição e das características dos agregados reciclados é importante para que se possa controlar a qualidade do concreto produzido com estes agregados. O beneficiamento dos RCD através da sua separação pelo critério da cor e o beneficiamento dos agregados reciclados através da sua separação em faixas de diferentes massas específicas, são maneiras de se controlar duas características dos agregados importantes para as propriedades do concreto: a natureza mineral e a porosidade. Com isso, obtém-se um material mais homogêneo. Normalmente, as usinas de reciclagem classificam visualmente e separam os RCD em material cinza e material vermelho. O material cinza é aquele que apresenta um teor maior de concreto e o material vermelho, por sua vez, é aquele que apresenta um teor maior de material cerâmico. Este procedimento tem por objetivo separar os resíduos de acordo com sua natureza mineral predominante. O beneficiamento dos agregados reciclados através da separação em diferentes faixas de massa específica não tem sido praticado. Esta separação é chamada de concentração densitária e pode ser realizada em meio denso ou através da utilização de jigues. Separação em meio denso é um processo aplicado na separação de minerais segundo suas massas específicas mediante a utilização de líquidos orgânicos, soluções de sais inorgânicos ou suspensão estável de densidade pré-determinada. O meio denso utilizado deve apresentar uma densidade intermediária entre as das espécies minerais a separar, de maneira que os minerais com densidade inferior flutuem e aqueles com densidade superior afundem. O processo é mais aplicado para partículas grossas (LUZ; COSTA, 1995). Na separação de minerais em meio denso,

6 4 existem três campos de aplicação: estudos de laboratório, obtenção de concentrados finais e de pré-concentrados na indústria. Para estudos de laboratório, são utilizados líquidos orgânicos e soluções aquosas de sais inorgânicos. Já na obtenção de concentrados finais e de pré-concentrados na indústria, são utilizadas suspensões de finos de ferro-silício e/ou magnetita em água, pois os custos operacionais são muito altos quando se utilizam líquidos orgânicos ou soluções aquosas de sais inorgânicos, além da alta toxicidade dos líquidos orgânicos. A separação de minerais com diferentes massas específicas também pode ser feita através da utilização dos jigues. Normalmente, esses equipamentos são utilizados na concentração densitária de materiais com dimensões acima de 3 mm (HENDRIKS; XING, 2004). Simplificadamente, o jigue, muito utilizado no beneficiamento do carvão, consiste de uma câmara onde as partículas são alimentadas e, posteriormente, fluidizadas através da pulsação de água. Estando a água sob pressão, as partículas caem com diferentes velocidades, de acordo com suas massas específicas. As partículas mais pesadas afundam primeiro e são descarregadas no fundo da câmara. Através da variação da pressão de pulsação da água, é possível conseguir diferentes densidades de separação das partículas. A Figura 1 apresenta um desenho esquemático do funcionamento deste equipamento. alimentação descarga das partículas leves descarga das partículas pesadas partículas leves pulsação de água partículas pesadas início fim Figura 1 Esquema do funcionamento de um jigue (HENDRIKS; XING, 2004). 3. Avaliação do concreto com agregados graúdos reciclados reforçado com fibras de aço O estudo experimental apresentado a seguir teve por objetivo: - Avaliar a influência do teor de fibras de aço na capacidade portante pósfissuração do concreto com agregados reciclados de RCD; - Avaliar a influência das fibras de aço na resistência à tração do concreto com agregados reciclados de RCD; - Avaliar a influência da umidade do agregado reciclado na resistência à tração do concreto Materiais utilizados Os materiais utilizados neste programa experimental foram: - Cimento Portland composto com escória de alto-forno (CPII-E 32);

7 5 - Areia natural quartzosa média; - Brita 1 granítica; - Brita 1 obtida da moagem do RCD cinza (composto em sua maior parte por material cimentício) que é reciclado na usina de Vinhedo SP, em duas situações: 1) seca em estufa; 2) submersa em água por 24 horas e seca ao tempo por 1 hora (umidade = 9%); - Fibras de aço com ancoragem em gancho e seção retangular, comprimento igual a 50 mm Traços de concreto produzidos Foram produzidos traços de concreto 1:2:3, relação água/cimento igual a 0,5, com diferentes agregados graúdos e teores de fibras, conforme apresentado na Tabela 2. Tabela 2 Agregados graúdos e teores de fibras utilizados. AC 10 AC 20 AC 40 ARU 10 ARU 20 ARU 40 ARS 10 ARS 20 Teor de fibra (kg/m 3 ) Abatimento (mm) AC agregado convencional ARU agregado reciclado úmido ARS agregado reciclado seco O traço com agregado reciclado seco e teor de fibras igual a 40 kg/m 3 não foi produzido, pois, com 20 kg/m 3 de fibra, não houve abatimento. Dessa forma, a moldagem dos corpos-de-prova com o concreto com teor de fibras igual a 40 kg/m 3 seria muito difícil. Além disso, a compactação do material ficaria prejudicada, alterando as propriedades mecânicas do concreto de forma não controlada. Os corpos-de-prova moldados foram curados em câmara úmida por 7 dias e ensaiados com essa idade Determinação da capacidade portante pós-fissuração O ensaio realizado para determinar a capacidade portante pós-fissuração para cada traço de compósito produzido baseou-se na norma JSCE-SF4 (1984). A partir deste ensaio, foi obtida a curva carga por deflexão para cada traço. Com as curvas carga por deflexão, foram calculadas as seguintes tensões para cada traço de compósito: - Tensão de ruptura à tração na flexão: correspondente à carga máxima obtida; - Tensões residuais para as seguintes deflexões: 0,5, 1 e 2 mm, segundo o critério proposto pela EFNARC (1996). O cálculo das tensões foi feito através da seguinte expressão: ft = PL / bd 2 Onde: P = carga de ruptura ou correspondente às deflexões de 0,5, 1 e 2 mm L = vão entre os cutelos inferiores = 300 mm b = largura do corpo de prova = 100 mm d = altura do corpo de prova = 100 mm

8 Resultados e discussão A Figura 2 apresenta a tensão de ruptura à tração na flexão para os compósitos com agregados reciclados secos e úmidos. 3,50 Tensão de Ruptura (MPa) 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Seco Úmido Teor de fibras (kg/m 3 ) Figura 2 Influência da umidade do agregado reciclado na tensão de ruptura à tração na flexão do compósito. Pode-se verificar um pequeno aumento na tensão de ruptura do compósito quando são utilizados agregados reciclados secos. Um fato que pode explicar os valores de tensão ligeiramente mais altos para os traços com agregados secos é a absorção de parte da água de amassamento pelos agregados. Essa absorção causa uma diminuição na relação água/cimento do concreto. Com isso, há uma melhoria nas propriedades mecânicas da pasta. Entretanto, através de um teste de hipóteses, concluiu-se não há diferença significativa entre as médias das tensões para compósitos com agregados secos e úmidos, a 5% de significância. Como os agregados secos absorvem parte da água de amassamento, diminuindo o abatimento do compósito, o adensamento e, conseqüentemente, a moldagem dos corpos-de-prova ficaram prejudicados. Dessa forma, aumenta o volume de vazios no interior do compósito, diminuindo sua resistência mecânica. De forma contrária, essa absorção causa uma melhoria na resistência mecânica da pasta, pois, conforme já mencionado, ocorre uma diminuição na relação água/cimento do compósito. Possivelmente, esses dois efeitos contrários acabaram se anulando, fazendo com que os resultados de tensão para os traços com agregados secos e úmidos fossem iguais, a 5% de significância. A Figura 3 mostra a influência do teor de fibras nas tensões de ruptura à tração na flexão dos compósitos com agregados naturais e reciclados.

9 7 Tensão de Ruptura (MPa) 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 AC 10 AC 20 AC 40 ARU 10 ARU 20 ARU 40 ARS 10 ARS 20 Traço Figura 3 Influência do teor de fibras na tensão de ruptura à tração na flexão. Observa-se que, para o concreto convencional, a tensão de ruptura à tração na flexão não varia com o teor de fibras. Tal comportamento era esperado, já que o teor de fibras utilizado é baixo. Entretanto, para o concreto com agregados reciclados, com o aumento do teor de fibras, a tensão de ruptura também aumenta e se aproxima daquela obtida para o concreto convencional. Supõe-se que, como as fibras estão imersas na argamassa do concreto, há uma maior distribuição de tensões na argamassa, que é a mesma em todos os concretos, diminuindo a solicitação nos agregados reciclados, de resistência inferior aos agregados naturais (durante o ensaio de flexão, observou-se ruptura dos agregados reciclados em quase todos os corposde-prova utilizados). A Figura 4 mostra a influência do teor de fibras nas tensões residuais dos compósitos com agregados naturais e reciclados. 1,40 Tensão Residual (MPa) 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,5 mm 1 mm 2 mm 0,00 AC 10 AC 20 AC 40 ARU 10 ARU 20 ARU 40 ARS 10 ARS 20 Traço Figura 4 Influência do teor de fibras nas tensões residuais. Tanto no concreto convencional quanto no concreto com agregados reciclados, considerando-se uma mesma deflexão, com o aumento do teor de fibras, as tensões residuais aumentam. Para os concretos com agregados reciclados, ocorreu com as tensões residuais o mesmo que havia acontecido com as tensões de ruptura, isto é, com o aumento do teor de fibras, as tensões residuais se aproximam daquelas obtidas

10 8 para o concreto convencional Conclusões - Não houve diferença significativa entre os resultados de resistência à tração obtidos com agregados secos e saturados. Entretanto, os agregados reciclados secos absorveram água da mistura fazendo com que o abatimento diminuísse. Com isso, a moldagem ficou prejudicada e a porosidade do compósito aumentou. Para evitar esse problema, sugere-se que os agregados reciclados utilizados na produção do concreto sejam pré-umedecidos conforme metodologia proposta por LEITE (2001); - As resistências de tração na flexão e residuais foram reduzidas com a substituição dos agregados naturais por reciclados de resíduos de construção e demolição; - Com o aumento do teor de fibras, as tensões de ruptura à tração na flexão e residuais obtidas para os compósitos com agregados reciclados se aproximaram daquelas obtidas para os compósitos com agregados naturais. 4. Influência da porosidade dos agregados reciclados nas propriedades do concreto reforçado com fibras de aço No intuito de aprofundar o programa experimental apresentado anteriormente, PIETRA (2005) realizou um estudo, cujo objetivo consistiu em avaliar comparativamente o comportamento mecânico dos concretos reforçados com diferentes teores de fibras de aço, com agregados graúdos naturais e reciclados de resíduos de construção e demolição, sendo que os agregados reciclados foram separados em diferentes faixas de massa específica de forma a se obter agregados com diferentes porosidades. Assim, foi possível avaliar a influência da porosidade do agregado reciclado no desempenho mecânico do concreto reforçado com fibras de aço. Com agregados reciclados separados em diferentes faixas de massa específica, é possível obter concretos com diferentes propriedades e diferentes usos, de acordo com suas características. Assim, a utilização do concreto com agregados reciclados pode ser otimizada e ampliada. Da mesma forma, a substituição dos agregados naturais por agregados reciclados no concreto reforçado com fibras de aço também pode ser viabilizada ou mesmo otimizada com a separação dos agregados em diferentes faixas de massa específica. No programa experimental realizado por PIETRA (2005) para alcançar o objetivo proposto, os agregados reciclados foram separados em duas diferentes faixas de massa específica: entre 1,9 e 2,2 g/cm 3 e entre 2,2 e 2,5 g/cm 3. Foram utilizados os seguintes teores de fibras de aço: 0, 10, 20 e 40 kg/m 3. As propriedades avaliadas para os compósitos produzidos foram: resistência à compressão, resistência à tração na flexão, tenacidade e absorção de água por imersão. Os principais resultados obtidos foram: - O concreto com agregados reciclados com massa específica entre 2,2 e 2,5 g/cm 3 apresentou resistência à compressão próxima à do concerto convencional. O mesmo não ocorreu para o concreto com agregados com massa específica entre 1,9 e 2,2 g/cm 3, cuja resistência foi menor; - Em relação à resistência à tração na flexão, os concretos com agregados reciclados, qualquer que seja a massa específica, apresentaram perda de propriedades em relação ao concreto convencional;

11 9 - Entretanto, com o aumento do teor de fibras de aço, apesar da resistência à compressão não se alterar, o comportamento dos compósitos com agregados reciclados em relação à resistência à tração se aproximou daquele obtido para o compósito com agregados naturais; - Assim, comprovou-se que, para compósitos com teor de fibras de aço igual a 40 kg/m 3 e resistência à tração na flexão igual a 5,0 MPa, os agregados graúdos naturais podem ser substituídos por agregados reciclados com massa específica entre 2,2 e 2,5 g/cm 3 sem que haja aumento significativo no consumo de cimento ou perda de tenacidade. Referências Bibliográficas ALAEJOS, P. et al. Draft of Spanish regulations for the use of recycled aggregate in the production of structural concrete. International RILEM Conference on the Use of Recycled Materials in Buildings and Structures. Espanha, p ANGULO, S.C. Variabilidade de agregados graúdos de resíduos de construção e demolição reciclados. São Paulo, p. Dissertação (Mestrado). Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. BANTHIA, N.; CHAN, C. Use of recycled aggregate in plain and fiber-reinforced shotcrete. Concrete International, v.22, n.6. June p CARRIJO, P.M. Análise da influência da massa específica de agregados graúdos provenientes de resíduos de construção e demolição no desempenho mecânico do concreto. São Paulo, p. Dissertação (Mestrado). Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. DORSTHORST, B.J.H.; HENDRIKS, Ch.F. Re-use of construction and demolition waste in the EU. In: CIB Symposium in Construction and Environment: Theory into Practice. Proceedings. São Paulo, Brazil, p. EFNARC. European specification for sprayed concrete. European Federation of Producers and Applicators of Specialist Products for Structures (EFNARC). Hampshire, UK, p. FIGUEIREDO, A.D. Concreto com fibras de aço. Boletim Técnico da Escola Politécnica da USP. Departamento de Engenharia de Construção Civil e Urbana. BT/PCC/260. São Paulo, HENDRIKS, C.F.; XING, W. Suitable separation treatment of stony components in construction and demolition waste. International RILEM Conference on the Use of Recycled Materials in Buildings and Structures. Espanha, p JAPAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. Method of tests for flexural strength and flexural toughness of steel fiber reinforced concrete. JSCE-SF4. Concrete Library of JSCE. Part III-2: method of tests for steel fiber reinforced concrete, n.3. Jun p LEITE, M.B. Avaliação de propriedades mecânicas de concretos produzidos com agregados reciclados de resíduos de construção e demolição. Porto Alegre, p. Tese (Doutorado). Escola de Engenharia, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. LEVY, S.M. Contribuição ao estudo da durabilidade de concretos produzidos com resíduos de concreto e alvenaria. São Paulo, p. Tese (Doutorado). Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. LUZ, A.B.; COSTA, L.S.N. Tratamento de minérios. CETEM. Rio de Janeiro, MEHTA, P.K.; MONTEIRO, P.J.M. Concreto: estrutura, propriedades e materiais. PINI Editora.

12 10 São Paulo, PIETRA, I. Avaliação do concreto com agregados graúdos reciclados de resíduos de construção e demolição reforçado com fibras de aço. São Paulo, p. Dissertação (Mestrado). Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. PINTO, T.P. Metodologia para a gestão diferenciada de resíduos sólidos da construção urbana. São Paulo, p. Tese (Doutorado). Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. VÁZQUEZ, E.; BARRA, M. Recycling of aggregates in the construction industry. CIB Symposium on Construction & Environment: Theory into Practice. Global Seven Editora Ltda. São Paulo, 2000.