Utilização de ASIC em Betão

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1 Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 FEUP, de outubro de 2012 Telma de Jesus Ramos 1 Luís Filipe Alberto M. V. Pereira Juvandes 2 Tavares Moreira 3 RESUMO No presente trabalho experimental pretendeu-se estudar a viabilidade da aplicação do ASIC em betões de ligantes hidráulicos, como substituto do agregado natural. Primeiro, realizou-se a caracterização geométrica, física e mecânica do agregado ASIC. Posteriormente, produziram-se dois tipos de betões, um de controlo (BC), com a utilização de agregados naturais e outro com a substituição parcial do agregado natural por ASIC (BASIC). Em ambos, calculou-se uma composição de betão que garantisse uma boa trabalhabilidade e que fosse estruturalmente exequível, tendo em conta os requisitos da exposição ambiental XC4 de acordo com as especificações LNEC E 464. Neste âmbito, foram aferidas propriedades de resistência à compressão, à tracção por compressão diametral e à flexão, determinação do módulo de elasticidade, absorção de água por capilaridade, penetração de água sob pressão e expansão devido à reacção álcalis-sílica. No que concerne ao material ASIC, segundo os ensaios realizados e a normalização em vigor, pode ser classificado como um agregado para betões de ligantes hidraulicos. Relativamente ao BASIC, pode ser considerado um betão pesado (massa volúmica de 2750 kg/m 3 ), apresentando um desempenho superior ao BC em termos de propriedades mecânicas e não afectando a durabilidade do betão. Deste modo, a concepção de betões com incorporação de ASIC parece ser viável e eventualmente aplicado em estruturas de elevada massa volumica. Palavras-chave: Agregado ASIC, Agregado natural, Valorização, Betão alternativo. 1. INTRODUÇÃO Com a consciencialização dos atentados ambientais que têm vindo a decorrer na sociedade contemporânea, as empresas são cada vez mais pressionadas pela legislação ambiental. As principais fontes de degradação do ambiente dizem respeito à produção de resíduos. Uma solução possível desta problemática poderá consistir na valorização de resíduos, transformando-os em subprodutos industriais. 1 FEUP, Departamento de Engenharia Civil, Porto, Portugal. telmajr@fe.up.pt 2 FEUP, Departamento de Engenharia Civil, Porto, Portugal. juvandes@fe.up.pt 3 FEUP, Departamento de Engenharia Civil, Porto, Portugal. atavmor@fe.up.pt

2 A indústria de produção do aço é geradora de grandes quantidades de resíduos, designados de escória. As escórias são um material não metálico, resultante da indústria do ferro e do aço, e podem ser divididas em escórias de alto-forno ou escórias de aciaria, consoante o processo de fabrico. Actualmente, na siderurgia nacional são produzidas escórias de forno eléctrico, que depois de sujeitas a um determinado processamento, originam o Agregado Siderúrgico Inerte para Construção (ASIC). A utilização de agregados naturais no betão possui impactos ambientais em termos de extracção de recursos não renováveis e de consumos de energia necessários para o efeito, mas também, os relativos à destruição da biodiversidade existente nos locais de extracção de agregados [1]. A ambição de tornar viável a utilização de ASIC como substituto do agregado natural em misturas de betão é um objetivo atual pertinente. Assim, para além de valorizar os resíduos, reduz-se o emprego de agregados naturais e, consequentemente, diminui-se o impacto negativo resultante da exploração das pedreiras. Deste modo, cria-se uma aliança entre dois objectivos distintos, que se inter-relacionam, com o objectivo final de promover um desenvolvimento sustentável e uma correcta gestão de resíduos. Nesse âmbito, foi iniciado um programa de investigação de colaboração dos Laboratório de Ensaio de Materiais de Construção (LEMC), do Laboratório da Tecnologia do Betão e do Comportamento Estrutural (LABEST), ambos da FEUP, da empresa HARSCO Metals CTS e da Siderurgia Nacional SA com vista a estudar a viabilidade do uso do ASIC como um agregado para betões de ligantes hidráulicos. Desse programa resultaram dois trabalhos, um, o do presente artigo, na perspectiva de avaliar a exequibilidade da utilização de ASIC como substituto do agregado natural em misturas de betão (investigação de Ramos [2]) e outro orientado para um programa experimental com o objetivo de estudar a viabilidade do uso do ASIC em betões pesados (investigação de Pacheco [3]). O presente trabalho contempla, primeiramente, a execução de um programa experimental de caracterização geométrica, física e mecânica do ASIC em laboratório, pela realização de diversos procedimentos experimentais. Seguidamente, é realizada a caracterização do betão em duas composições-tipo, uma com a incorporação de ASIC (BASIC) e outra com agregados naturais (BC), avaliando-se as propriedades do betão fresco e do endurecido, nomeadamente, a resistência à compressão, à tracção por compressão diametral e à flexão, o módulo de elasticidade, a absorção de água por capilaridade e a penetração de água sob pressão. A componente experimental foi desenvolvida nos laboratórios da FEUP (LEMC/ LABEST). 2. PROGRAMA EXPERIMENTAL 2.1 ASIC A distribuição granulométrica dos agregados é uma das principais características, com bastante influência no comportamento de betões, nomeadamente, a rigidez, a estabilidade, a durabilidade e a permeabilidade. Incluem-se, nesse efeito, as propriedades que dependem da quantidade de água de amassadura, tais como a compacidade e trabalhabilidade e ainda a sua influência no ângulo de atrito interno [4]. Com o intuito de caracterizar o ASIC como um agregado, foram avaliadas as suas propriedades geométricas, físicas e mecânicas. Este material (Fig. 1) foi previamente separado em duas fracções, para posteriormente conseguir uma boa trabalhabilidade do betão. Na Fig. 2 é apresentada a curva granulométrica do ASIC f, com uma fracção granulométrica de 0-4,75 mm e a curva granulométrica do ASIC g, com uma fracção granulométrica de 4,75-44,4mm. 2

3 Ramos, Juvandes emoreira Figura 1. ASIC. Figura 2. Análise granulométrica do ASIC f e do ASIC g. As exigências da Especificação LNEC E 467 [5] estabelecem um conjunto de características mínimas que os agregados não reciclados, abrangidos pela norma NP EN [6], devem respeitar para poderem ser utilizados em Portugal no fabrico de betões no âmbito da NP EN [7]. As características do agregado ASIC, bem como a sua conformidade com a normalização em vigor, encontram-se expostas no Quadro 1. Quadro 1. Resultados da caracterização geométrica, física e mecânica do ASIC. Propriedades Sigla Normalização Material Resultados Requisitos Análise granulométrica - NP EN ASIC fino 0,5/5,6 ASIC grosso 5,6/22,4 - Indicie de forma SI NP EN ASIC 0,40% (SI 15 ) a declarar Índice de achatamento FI NP EN ASIC 0,64% (FI 15 ) FI 50 ( 50%) Massa volúmica do material ASIC fino 3,65 Mg/m 3 ρ impermeável das partículas a NP EN ASIC grosso 3,58 Mg/m 3 Massa volúmica das partículas ASIC fino 3,42 Mg/m 3 ρ secas em estufa rd NP EN ASIC grosso 3,39 Mg/m 3 a declarar Massa volúmica das partículas ASIC fino 3,49 Mg/m 3 ρ saturadas com superfície seca ssd NP EN ASIC grosso 3,44 Mg/m 3 Absorção de água ASIC fino 1,8% WA (em percentagem da massa seca) 24 NP EN ASIC grosso 1,6% 5% Baridade ρ b NP EN ASIC 1,79 Mg/m 3 - Percentagem de vazios ν NP EN ASIC 47,0% - Resistência â fragmentação pelo método de Los Angeles LA NP EN ASIC 25% (LA 25 ) LA 50 ( 50%) 3

4 2.2 Materiais No presente programa experimental utilizou-se um cimento Portland CEM I 42,5R da Secil, concordante com a Norma Portuguesa NP EN [8], com uma massa volúmica de 3,11 g/cm 3. A selecção e o estudo dos agregados têm especial importância uma vez que são os constituintes maioritários do betão e têm grande influência no seu desempenho. Para a concepção do betão foram utilizados quatro agregados: uma areia fina de duna, uma areia britada, e duas britas. A sua caracterização é apresentada no Quadro 2 e as respectivas curvas granulométricas na Fig. 3. Quadro 2. Massa volúmica e absorção dos diferentes agregados usados no fabrico do betão. Propriedades Areia de Duna Areia britada Brita 1 Brita 2 Massa volúmica ρ a (Mg/m3) 2,65 2,70 2,66 2,66 Absorção WA 24 (%) 0,2 1,6 0,6 0.5 Figura 3. Curva granulométrica dos agregados. Foram utilizados dois tipos distintos de adjuvantes: um superplastificante, Woerment FM 420 e um adjuvante que permite controlar a viscosidade da mistura, conseguindo o equilíbrio entre a fluidez, a viscosidade e a resistência à segregação, designado de RheoMatrix R100, admitindo-se a sua classificação como retentor de água. 2.3 Composição, fabrico e propriedades no estado fresco Para iniciar o cálculo da composição do betão, é importante definir uma classe de exposição ambiental, que segundo a legislação em vigor é determinante. A selecção da classe depende das disposições válidas no local de utilização. Para o estudo desenvolvido e segundo a especificação de referencia LNEC E 464 [9], considera-se que o betão será utilizado como betão armado em ambientes expostos ao ar e à humidade, com ciclos de malhagem e secagem, pelo que se aplica uma classe de exposição ambiental XC4. Para a presente classe de exposição ambiental são estabelecidos limites para determinados parâmetros característicos da composição do betão como a dosagem de cimento mínima de 280 kg/m 3, a razão água/cimento máxima de A/C=0,6 e uma classe de resistência mínima C30/37. A composição de betão foi determinada tendo por base a curva de Faury, como a curva de referência. Apesar da existência de diversos métodos de cálculo, a opção recaiu sobre o método de Faury porque se trata de um método de conhecimento corrente, foi o principal método leccionado na FEUP e de fácil aplicação.no presente estudo, designou-se por BASIC o betão com incorporação de ASIC e por BC o betão de controlo com utilização de agregado natural. No Quadro 3 são apresentadas as composições concebidas no presente estudo experimental. 4

5 Ramos, Juvandes emoreira Quadro 3. Materiais e composição do BAC e do BASIC. Materiais Composição Unidades BAC BASIC CEM I 42,5 R Água Areia fina de duna Areia Britada Brita Brita 2 kg/m ASICf ASICg Woerment FM 420 3,5 3,5 R 100 0,0 2,0 Ar 1 1 A avaliação da trabalhabilidade é realizada pela determinação da consistência do betão que, por sua vez, foi estimada através do ensaio de abaixamento e do ensaio de espalhamento (Figuras 4a e 4b). Além destes, foram realizados ensaios de determinação da massa volúmica e teor de ar do betão no estado fresco. Os resultados de caracterização do betão no seu estado fresco são apresentados no Quadro 4. (a) Ensaio de abaixamento (b) Ensaio de Espalhamento Figura 4. Ensaios de caracterização de betão fresco. Quadro 4. Resultados da caracterização do betão fresco. Propriedades Unidades Normalização BASIC BC Abaixamento - NP EN S2 S2 Espalhamento - NP EN F2 F2 Massa volúmica (ρ) kg/m 3 NP EN Teor de ar (A c ) % NP EN ,9 1,0 2.4 Propriedades do betão no estado endurecido A resistência à compressão é um dos parâmetros que tem sido estudado com maior incidência, cuja determinação foi realizada através do ensaio de compressão em três provetes cúbicos com 150 mm de aresta, após 29 dias de idade, segundo a norma NP EN [10]. Este ensaio consiste na aplicação de uma carga axial uniforme vertical, a velocidade constante até à rotura, registando-se a carga máxima atingida (carga de rotura). A resistência à tracção no betão é, geralmente, muito mais baixa em relação à resistência à compressão sendo difícil de medir pelo facto de ter um grande campo de factores de variação. Este parâmetro foi determinado de acordo com a norma NP EN [11], em três provetes cilíndricos com um 5

6 diâmetro de 150mm e uma altura de 300mm aos 30 dias. Resumidamente, é a aplicação de uma carga linear segundo geratriz exposta do provete, de forma contínua, uniforme e com velocidade constante até à rotura do provete. A resistência à flexão é também uma resistência à tracção. Neste procedimento experimental, foi determinada segundo a NP EN [12], em três provetes prismáticos simplesmente apoiados, ensaiados aos 28 dias de idade, cuja força de ensaio é aplicada em duas secções simétricas aos terços do vão, até registar-se a rotura. O módulo de elasticidade mede a deformação elástica que o betão sofre e que, directa ou indirectamente, afecta a forma como as estruturas respondem às solicitações impostas. O ensaio foi realizado de acordo com a especificação do LNEC E 397 [13], em três provetes cilíndricos com 150 mm de diâmetro e 300 mm de altura aos 28 dias. Para tal, foram usados um par de extensómetros de resistência eléctrica à superfície dos provetes, com 30 mm de comprimento e segundo geratrizes diametralmente opostas. A absorção de água do betão endurecido é uma das propriedades directamente relacionadas com a sua durabilidade. Este parâmetro traduz a facilidade com que a água penetra pelos poros e fendas do betão. Sendo a água o principal meio de transporte de substâncias nocivas para o betão, é importante efectuar a avaliação da absorção de água, particularmente por capilaridade. O presente ensaio é conduzido de acordo com a especificação do LNEC E 393 [14] em três provetes cilíndricos, que depois de 28 dias de cura húmida e de 14 dias a secar em estufa, são colocados numa campânula, com um nível de água constante na sua base. Em determinados períodos de tempo, os provetes são pesados e mede-se a altura de água atingida desde a face inferir do provete até perfazerem 72 horas. O ensaio de penetração de água sob pressão é realizado em provetes cúbicos segundo a norma NP EN [15]. Os provetes são sujeitos à aplicação de água sob pressão durante 72 horas. No final estes são partidos perpendicularmente à fase exposta à pressão da água e mede-se a profundidade máxima de penetração de água. A reactividade alcalis-sílica no betão é uma variedade particular da reacção química que ocorre entre a sílica reactiva existente em alguns constituintes mineralógicos do agregado com os hidróxidos alcalinos (sódio e potássio) presentes na água dos poros no cimento Portland. O ensaio de reactividade alcalis-sílica do agregado deverá ser realizado de acordo com a norma ASTM C [16]. Infelizmente, esta análise química não foi possível realizar neste trabalho em tempo útil para o ASIC, mas desenvolvida na publicação [3]. No Quadro 5 são expostos os resultados dos ensaios de caracterização do betão endurecido. Quadro 5. Resultados da caracterização do betão endurecido. Propriedades Sigla Unidades BASIC BC Caracterização mecânica Massa volúmica ρ Kg/m Resistência à compressão f cm,28 N/mm Resistência à tracção por compressão diametral f ctm,28 N/mm 2 3,74 3,63 Resistência à Flexão f cf,28 N/mm 2 5,3 4,7 Módulo de elasticidade E cm,28 N/mm Durabilidade Absorção de água por capilaridade às 72 horas AC g/mm 2 0, ,00268 Penetração de água sob pressão PP mm Reactividade alcalis-sílica do agregado (14 dias) ε ASR % [i] [i] Não foi realizado. 6

7 Ramos, Juvandes emoreira 3. ANÁLISE DE RESULTADOS O estudo dos agregados requer a análise de diversas propriedades, algumas obrigatórias (com limites) e outras facultativas, consoante o tipo de utilização pretendida. As propriedades obrigatórias em análise foram estabelecidas, segundo a actual legislação, com base no cumprimento das normas NP EN [6] e LNEC E 467 [5] que estabelecem requisitos mínimos para o uso de agregados em Portugal. De acordo com os resultados obtidos ao longo do trabalho, pode concluir-se que o ASIC é um material de granulometria extensa e bem graduado, verificando-se, porém, alguma deficiência em partículas finas, de dimensões inferiores a 4 mm, pelo que foi necessário realizar a separação do ASIC em duas granulometrias diferentes. A forma dos agregados influencia fortemente a resistência do betão, sendo preferível a utilização de partículas mais esféricas possível e desaconselhável a utilização de partículas lamelares ou alongadas. O ASIC é constituído, na sua grande maioria, por partículas cúbicas o que, aliado à elevada rugosidade, podendo facultar uma boa interligação entre os grãos depois de compactados. Os valores elevados da massa volúmica do ASIC devem ser tidos em conta na avaliação dos custos de transporte e separação em percentagem de cada tonelada de material. No entanto, este é especialmente vantajoso para fabrico de betão com desempenho de funções, sobretudo, de protecção contra radiações atómicas, de resistência e para execução de estruturas pesadas. Os valores de absorção de água do ASIC (WA 24 ) são superiores ao dos agregados naturais geralmente utilizados na produção de betão, devido à sua elevada porosidade, nitidamente visível pela observação do material. A análise das propriedades do betão BASIC, no estado fresco, permite concluir que este tem uma boa trabalhabilidade e uma boa consistência, estando compreendido entre um estado fluido e denso. Tal como esperado, o BASIC tem uma massa volúmica superior à do BC, por incorporar agregados com maior massa volúmica. Face ao valor obtido, o BASIC é classificado como um betão pesado e o BC como um betão normal. No que respeita às resistências mecânicas do betão endurecido, os resultados vêm demostrar que a incorporação de ASIC no betão é vantajosa, sendo esse efeito especialmente notório na resistência à compressão, uma vez que se atinge um valor médio superior de 14 MPa relativamente ao BC, correspondendo em termos percentuais a um acréscimo de cerca de 28%. A resistência à tracção é uma característica importante do betão em fenómenos tais como a fendilhação e aderência às armaduras. Esta propriedade foi similar nos dois betões. Relativamente, ao módulo de elasticidade o BASIC é superior ao BC em aproximadamente 11 GPa, ou seja, cerca de 35% superior. Isto significa que o BASIC é menos deformável para o mesmo grau de tensão. No que refere à absorção de água por capilaridade às 72 horas (AC), o BASIC tem valores superiores ao BC (acréscimo de apenas 6%). Contudo, a altura de ascensão capilar é inferior. Reconhecida que é a relação, da razão água/cimento com o teor de poros capilares e sendo a razão A/C igual nos dois betões, as diferenças de absorção verificadas não podem ser explicadas pela matriz cimentícia. Os resultados do ensaio de penetração de água sob pressão (PP) revelam que no BASIC tem uma menor profundidade de penetração que o BC. Tais resultados são explicados pela porosidade do agregado ASIC ser superior à porosidade dos agregados naturais, retendo maior quantidade de água, não deixando que esta progrida. 7

8 A Fig 5 ilustra a comparação entre os dois betões BASIC e BC a nível das principais propriedades avaliadas neste programa de investigação. Figura 5. Desempenho do BASIC em relação ao BC. CONCLUSÕES Este trabalho pretende ser mais um contributo para a investigação do aproveitamento de resíduos industriais na confecção de betões correntes e/ou especiais. Apresentou-se um agregado alternativo ao agregado natural, sendo esse um subproduto da indústria do aço, o ASIC. Através dos ensaios realizados de caracterização geométrica, física e mecânica do ASIC, pode concluir-se que este é um material bem graduado, com dureza e resistência satisfatórias, sendo um material poroso e denso, com valores de absorção de água e massa volúmica superiores aos dos agregados correntes utilizados em betões. Segundo os ensaios realizados neste trabalho e segundo Pacheco [3] o ASIC tem potencial para ser considerado agregado para betão. Contudo, o ASIC normalmente tem na sua constituição cal e magnésia que podem comprometer a sua estabilidade volumétrica e, por conseguinte, a do betão. Não obstante, a presença de ferro pode dar origem a fenómenos de corrosão, com consequências igualmente nefastas. Neste âmbito, são necessários mais estudos de modo a aferir a verificação da conformidade do ASIC tendo em conta todas as exigências da normalização aplicável a agregados. A partir dos ensaios de caracterização do betão endurecido, verificou-se que o betão com ASIC (BASIC) possui resistências mecânicas muito satisfatórias, quando comparadas com o betão de controlo (BC), nomeadamente na resistência à compressão. No que se refere à durabilidade do betão, esta foi similar nos BC e BASIC. Estudos mais detalhados a longo prazo são também essenciais no que concerne às reações alcális-silica e resistência aos sulfatos, além de, explorar novas composições e execução de modelos á escala real e sujeitos à exposição ambiental. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem às empresas HARSCO Metals CTS e à Siderurgia Nacional SA da Maia pela cedência do material ASIC e elementos bibliográficos, à Secil pela disponibilidade do cimento, à 8

9 Ramos, Juvandes emoreira Euromodal pelo fornecimento dos adjuvantes e aos laboratórios LEMC, LABEST e CTVC pela cedência de espaços, técnicos e realização dos ensaios. REFERÊNCIAS [1] Torgal, F., P.; Jalali, S. ( 2011). Betão Eco-eficiente: o futuro da indústria do betão pronto. Betão, APEB, Nº26, Abril, pp.24. [2] Ramos, Telma J. (2011). Estudo da viabilidade da substituição do agregado natural por agregado siderúrgico inerte para construção (ASIC) em betão. FEUP, Tese de Mestrado Integrado em Engenharia Civil. [3] Alexandre, Pacheco (2012). Estudo da Viabilidade da Utilização de Escórias de Aciaria (ASIC) em Betão Denso. FEUP, Tese de Mestrado Integrado em Engenharia Civil. [4] Bernucci, L.,Goretti da Mota, l., Ceratti, J., Soares, J. (2008). Pavimentação asfáltica Formação básica para engenheiros. Petrobas, Rio de Janeiro. [5] LNEC E 467 (2006). Guia para a utilização de agregados em betões de ligantes hidráulicos. Lisboa: especificação LNEC. 8 p. [6] EN 12620:2002+A1 (2010), Agregados para betão. Lisboa: IPQ. Setembro. 61 p. [7] NP EN (2007). Betão, Parte 1:Especificação, desempenho, produção e conformidade. IPQ, Junho. [8] LNEC E (2001). Cimentos, Parte 1:Composição, especificação e critério de conformidade para cimentos correntes. Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa. [9] LNEC E 464 (2007). Metodologia prescritiva para uma vida útil de projecto de 50 e de 100 anos face às acções ambientais. Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa. [10] NP EN (2003). Ensaios do betão endurecido, Parte 3: Resistência à compressão dos provetes de ensaio. IPQ, Novembro. [11] NP EN (2003). Ensaios do betão endurecido, Parte 6: Resistência à tracção por compressão de provetes. IPQ, Novembro [12] NP EN (2003). Ensaios do betão endurecido, Parte 5: Resistência à flexão dos provetes. IPQ, Novembro. [13] LNEC E 397 (1993). Betões. Determinação do módulo de elasticidade. Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa. [14] LNEC E 393 (1993). Determinação da absorção de água por capilaridade. Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Lisboa. [15] NP EN (2003). Ensaios do betão endurecido, Parte 8: Profundidade de penetração da água sob pressão. IPQ, Novembro. [16] ASTM C (2008). Standart test method for potencial alcali reactivity of agregates (Mortar-bar method). ASTM, United States. 9