AVALIAÇÃO DA ATIVIDADE POZOLÂNICA DO RESÍDUO DE CORTE DE ARDÓSIA. (2) Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), Laboratório de Materiais de

Transcrição

1 AVALIAÇÃO DA ATIVIDADE POZOLÂNICA DO RESÍDUO DE CORTE DE ARDÓSIA S. C. Lana 1 ; C. F. Azevedo 2 ; L. F. Santos 1 ; M. A. Nogueira 1 ; S. M. A. Nogueira 3 ; R. A. F. Peixoto 1 ; G. J. B. Silva 1 (1) Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), Laboratório de Materiais de Construção Civil. (2) Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), Laboratório de Materiais de Construção Civil, Escola de Minas - Campus Morro do Cruzeiro. Ouro Preto, MG. CEP: deazevedocf@gmail.com (3) Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), Departamento de Arquitetura. RESUMO Avaliou-se a atividade pozolânica do resíduo gerado pelo corte da ardósia, de forma a determinar a eficiência de sua utilização como adição mineral em argamassas e concreto Portland. Utilizou-se o método da condutividade elétrica proposto por Luxán, que avaliou a variação da condutividade elétrica de uma solução saturada de hidróxido de cálcio antes e após a adição do material pozolânico à solução. Em seguida, foi realizado o ensaio do Índice de Atividade Pozolânica (IAP), no qual as resistências à compressão das argamassas produzidas com o Cimento Portland e o resíduo de ardósia foram determinadas individualmente, para cada corpo de prova, expressa pela média de suas repetições; e assim foi determinado o índice de pozolanicidade de cada amostra. Embora o resíduo de corte de ardósia tenha apresentado atividade pozolânica, a argamassa produzida com o material atingiu um IAP de 70%, valor inferior ao exigido pela Norma Brasileira, de 75%. Palavras-chave: Resíduo de ardósia, Atividade pozolânica, Cimento Portland, Método de Lúxan, Difração de Raios-X. 3264

2 1. INTRODUÇÃO A mineração tem sido um dos pilares da economia nacional, tendo movimentado em 2014 cerca de US$ 40 bilhões, o que representou aproximadamente 5% do PIB do país (1). No entanto, o ônus causado por essa atividade é pago pelo meio ambiente, que sofre danos muitas vezes irreparáveis. É o caso da ardósia, cujo sistema de extração e beneficiamento gera um resíduo sem aproveitamento que, frequentemente, acaba depositado em pilhas de bota-fora ou reservatórios. As ardósias representam um recurso mineral mundialmente conhecido, de ampla utilização para revestimentos e telhas, com exploração noticiada desde o século XX. Em 2013, a produção brasileira de ardósia totalizou cerca de toneladas, equivalente a mais de 10% do total mundial (2). O Brasil é grande destaque no setor de mineração de ardósia, sendo o segundo maior produtor e exportador, com a Espanha ocupando o primeiro lugar (3). Atrelado ao grande volume de produção, está a grande quantidade de material residual gerado na extração e beneficiamento da rocha, apresentando-se sob a forma de pedaços irregulares de rocha e na forma de lama, produzida nos processos de corte e polimento. Esse rejeito é descartado no entorno das pedreiras em pilhas de bota-fora, áreas com toneladas de ardósia sem potencial industrial. Estima-se que nos últimos 30 anos tenham se acumulado na região produtora do estado de Minas Gerais cerca de 100 milhões de toneladas de rejeitos minero-industriais, sendo 5% desse volume correspondente ao rejeito das serrarias apenas de Papagaios (4). A reutilização desses resíduos no ciclo produtivo contribui com benefícios ecológicos e econômicos. Representa uma opção de reciclagem desse material, economizando recursos naturais não renováveis e energia, além de uma alternativa de barateamento da produção, diversificação de matéria prima e minimização do impacto ambiental no entorno das usinas de beneficiamento. Uma das soluções encontradas para disposição correta desses resíduos é sua incorporação em matrizes cimentícias, testando novos materiais como pozolanas para serem utilizadas em substituição parcial ao cimento Portland. Segundo Carmo & Portella (5), as fases químicas resultantes da reação pozolânica apresentam maior estabilidade. Quando utilizada em substituição parcial do cimento 3265

3 Portland, a pozolana reage com o hidróxido de cálcio liberado pela hidratação dos silicatos, levando à uma produção extra de silicatos de cálcio hidratados, produtos mais estáveis do cimento. De um modo geral, cerca de 20 a 40% do cimento utilizado nos concretos podem ser substituídos por pozolana sem diminuição da resistência mecânica final e com diversas melhorias nas qualidades do produto (6). Essa reação química é denominada reação pozolânica e pode melhorar as propriedades mecânicas e químicas do produto final (7) (8). Os materiais pozolânicos, em geral, necessitam de um tratamento prévio para que seu uso se torne adequado, realizado por meio de um processo que vai desde a simples moagem até tratamentos térmicos (9). De acordo com Tiboni (10), a superfície específica dos resíduos tem grande influência na atividade pozolânica em virtude de estar diretamente correlacionada à finura do material, afetando o grau de atividade pozolânica. A norma ABNT NBR 5752:1992 (11) descreve o método de determinação do índice de atividade pozolânica com cimento Portland. Trata-se de um método físico de determinação da pozolanicidade. O método de ensaio é avaliado em função do desempenho mecânico de duas argamassas, preparadas com a proporcionalidade e a consistência padronizados (12). Define-se o índice de atividade pozolânica com cimento Portland como sendo a relação entre a resistência à compressão aos 28 dias dos corpos de prova de argamassas moldados com pozolanas e cimento e os corpos de prova de argamassa somente com cimento. Decorrido esse período, são retirados do recipiente e submetidos a ensaios de resistência à compressão. Os resultados são comparados com a ABNT NBR 12653:1992 (13), que estabelece os índices de pozolanicidade. Esse índice é expresso em porcentagem e valores iguais ou superiores a 75% indicam material pozolânico (14). O método proposto por Luxán et al. (15), consiste em avaliar a pozolanicidade através da variação da condutividade de uma solução saturada de hidróxido de cálcio. O método tem como objetivo determinar a capacidade da sílica amorfa da pozolana reagir com o Ca(OH)2 da solução, formando silicato de cálcio hidratado, que precipita como composto insolúvel, diminuindo a concentração de íons cálcio da solução. O objetivo do trabalho é estudar a atividade pozolânica do resíduo gerado pelo corte da ardósia através do método previsto na norma ABNT NBR 5752:1992 e pelo método 3266

4 de Luxán, de forma a determinar a eficiência de sua utilização como adição mineral em argamassas e concreto de cimento Portland. 2. MATERIAIS E MÉTODOS O planejamento experimental foi desenvolvido com o objetivo de estudar o potencial pozolânico do resíduo de corte de ardósia (RCA) e a viabilidade técnica do seu uso em argamassas produzidas com cimento Portland. Visando à elucidação dos objetivos propostos, as etapas desenvolvidas serão descritas na sequência e resumidas pela Tabela 1. O RCA que foi utilizado nos ensaios é proveniente da cidade de Pará de Minas, em Minas Gerais, especificamente da Mineradora MPM SLATE. Foi transportado e acondicionado no Laboratório de Materiais de Construção da UFOP, assim como os outros insumos necessários à pesquisa. O programa experimental propõe a determinação da atividade pozolânica do material, após caracterizá-lo e passar por processos de secagem e moagem. Inicialmente foi realizado ensaio de massa específica, apresentando um valor de 3000 kg/m 3. A caracterização das amostras do resíduo foi realizada por Fluorescência de Raios X (análise química), Granulometria à Laser (tamanho das partículas) e Difração de Raios X (análise mineralógica). Beneficiamento do RCA Ensaio Secagem Moagem Metodologia Estufa Moinho de bolas horizontal Caracterização Atividade Pozolânica Tamanho das partículas Análise Química Análise Mineralógica Avaliação da condutividade elétrica Resistência Mecânica Tabela 1- Programa Experimental Granulometria à laser Fluorescência de raios X Difração de raios X Método de Luxán Ensaio de Compressão Simples - NBR 5752 O resíduo de corte de ardósia é um material fino, retirado dos tanques de decantação na forma de lama que, após a secagem em temperatura ambiente, 3267

5 apresenta-se na forma de torrões. Para usá-lo foram necessários processos de secagem e moagem. O resíduo passou por tratamento térmico, sendo seco em estufa por 24 horas a uma temperatura de 110 ± 5ºC, resultando em material bastante fino, em forma de torrões. Após a secagem, o material foi moído em um moinho horizontal, no qual a moagem ocorre pela movimentação horizontal devido a sua rotação, durante tempo necessário para desaglomeração. Foi usado moinho de bolas da marca Marconi, onde o material permaneceu por 20 minutos. Com a intenção de determinar as características granulométricas (tamanho dos grãos e sua respectiva distribuição granulométrica) da fração de material passante na peneira de malha 150μm (100 mesh) foi realizado ensaio no granulômetro a laser da marca Bettersize. Na análise de fluorescência do resíduo de corte da ardósia foi utilizado o espectrômetro de Raios X Shimadzu, modelo EDX7000. Esta técnica permitiu a análise química qualitativa do RCA, apresentando seus principais elementos. Importante ressaltar que essa análise é semi-quantitativa, não refletindo as porcentagens efetivas de cada componente químico. O resíduo ainda foi caracterizado fisicamente pela técnica de Difração de Raios X, utilizada para determinar as fases minerais presentes. A análise foi realizada no difratômetro EMPYREAN da Panalytical (com detector X Celerator) no Departamento de Geologia da Universidade Federal de Ouro Preto. O difratograma foi coletado com radiação de CuKα. No método de Luxán, utilizou-se 200 ml de solução saturada de Ca(OH)2 a 40 ºC e 5,0g de RCA em um recipiente com agitador magnético. Adicionado o material, monitorou-se a variação da condutividade e definiu-se o Índice de Atividade Pozolânica como sendo a relação entre a condutividade antes e após 120 segundos da adição do resíduo. Para a realização do ensaio foram utilizados os seguintes materiais e equipamentos: Água destilada; Hidróxido de cálcio PA, Amostras de resíduo de corte de ardósia secas e moídas; 3268

6 Condutivímetro da marca Hanna; Agitador magnético com controle de temperatura; Becker de 200 ml. De acordo com o método proposto por Luxán et. al (15), a pozolanicidade do material pode ser classificada de acordo com a variação de condutividade. A Tabela 2 representa os três grupos em que as pozolanas naturais se dividem de acordo com sua reatividade: Pozolanicidade do material Condutividade (ms/cm) Sem atividade <0.4 Atividade Moderada 0.4 a 1.2 Boa atividade >1.2 Tabela 2- Classificação dos Materiais Pozolânicos quanto à Condutividade A avaliação da atividade pozolânica do resíduo de ardósia seguiu as diretrizes e o método de ensaio descrito na norma brasileira NBR 5752 (ABNT, 1992a). A norma determina o Índice de Atividade Pozolânica (IAP) de uma adição mineral com cimento Portland. O IAP é a relação entre os valores de resistência à compressão de uma argamassa com 65% de cimento e 35% de pozolana e de uma argamassa de referência (100% de cimento como aglomerante). O cimento utilizado foi um CP III 40 RS. Para o ensaio mecânico, foram misturados mecanicamente dois traços de argamassa. A primeira argamassa, admitida como de referência, utiliza apenas cimento, areia normal e água, enquanto que na segunda argamassa parte do volume de cimento (35%) é substituído pela pozolana que se pretende analisar. As dosagens em massa necessárias de cada material estão representadas na Tabela 3. A confecção dos exemplares seguiu as recomendações da NBR 7215 (16). Decorrido o período de cura, os exemplares foram retirados da câmara úmida meia hora antes do ensaio destrutivo, receberam capeamento com uma composição de enxofre, e tiveram o diâmetro medido no meio da altura. A determinação da propriedade mecânica de resistência à compressão foi executada em uma máquina de ensaios de compressão uniaxial da marca EMIC, modelo DL

7 Tabela 3- Dosagem de Materiais no Ensaio da NBR RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 CARACTERIZAÇÃO A granulometria foi representada através das porcentagens acumuladas, correspondentes a 10, 50 e 90 %, sendo que 10% do resíduo está abaixo de 1,153 μm, 50% abaixo de 6, 211 μm e 90% abaixo de 59,23 μm. O ensaio de análise química por fluorescência de Raios X apresentou os resultados ilustrados na Figura 1: Material Dosagem dos Materiais (g) Argamassa de Referência Argamassa de Substituição Cimento Portland Material Pozolânico Areia Normal Água Figura 1- Resultado de Fluorescência de Raios X teores altos de Si e Fe; teores médios de Al, K e Ca; teores baixos de Ti e S; e traços de Mg, Mn, Sr, Zr, Zn, V, Y e Rb. 3270

8 O alto teor de Sílica e Alumínio no material indica que ele pode apresentar atividade pozolânica quando adicionado à materiais à base de cimento Portland, dado que a principal característica das pozolanas é a presença de silicatos e aluminatos em sua composição. O difratograma da análise por Difração de Raios X, exibido na Figura 2, revelou que o rejeito é formado, em grande parte por sílica (SiO2) na forma de quartzo, indicando que esse resíduo, ao ser moído e adicionado ao cimento, pode apresentar atividade pozolânica. Os minerais muscovita, albita e clorita também foram identificados. Figura 2- Difratograma do Resíduo de Corte de Ardósia 3.2 AVALIAÇÃO PELO MÉTODO DE LUXÁN Os resultados obtidos do ensaio pelo método de Luxán estão apresentados na Tabela 4: Material Analisado Resíduo de corte de Ardósia Leitura Inicial Granulometria (ms/cm) Passante na peneira de abertura 75 μm Leitura Final (ms/cm) Condutividade Elétrica (ms/cm) Tabela 4- Resultados Referentes ao Ensaio de Luxán De acordo com o método proposto, o material apresenta atividade pozolânica moderada. Observou-se a formação de material precipitado na solução, sugerindo a 3271

9 reação entre a sílica amorfa presente no pó do resíduo e os íons livres de cálcio (Ca2+), diminuindo a concentração destes e favorecendo o decréscimo da condutividade. 3.3 AVALIAÇÃO PELO MÉTODO DA NBR 5752 Quanto aos resultados de Resistência à compressão e Atividade Pozolânica, as Tabelas 5 e 6 os ilustram, respectivamente. Corpo de Prova Resistência à Compressão - Referência (MPa) Resistência à Compressão - Substituição (MPa) Tabela 5- Resistência Mecânica das Argamassas Tabela 6- Resultado do Ensaio da NBR 5752 De acordo com os resultados obtidos, a argamassa não atingiu o Índice de Atividade Pozolânica de 75%, não atendendo a exigência mínima física imposta pela NBR (Materiais pozolânicos/1992). No entanto, o valor obtido é próximo ao exigido. Argamassas 4. CONCLUSÃO CP CP CP CP CP MÉDIA Resistência à Compressão (MPa) Índice de Atividade Pozolânica (%) Classificação conforme NBR Referência Substituição de 35% Sem atividade As análises mineralógica e química do resíduo de corte de ardósia mostraram que o material possui grande porcentagem de sílica e alumina em sua composição, indicando que o material poderia apresentar atividade pozolânica se utilizado como substituição em 3272

10 produtos à base de cimento Portland. No entanto, os resultados da avaliação da pozolanicidade apresentaram certa divergência. Pelo método de Luxán o material apresentou atividade pozolânica, porém, pelo ensaio da NBR 5752 essa propriedade não foi identificada no material. A divergência nos resultados pode ser explicada pela possibilidade de que, no ensaio de Luxán, os íons de cálcio não reagiram efetivamente com o material, sendo apenas atraídos para a superfície do mesmo. Isso implica que, o decréscimo da condutividade estaria ligado à área superficial do material analisado e não necessariamente à reatividade do resíduo com os íons da solução, reduzindo a confiabilidade do método. A utilização do rejeito de ardósia não prejudicou as propriedades finais das peças a ponto de inviabilizar seu uso, pelo contrário, substituindo-se 35% do cimento Portland pelo resíduo reciclado obteve-se 70% da resistência da argamassa de referência. Com essa substituição, além de economizar uma quantidade significativa de cimento, reduzir o custo de produção e o volume de resíduo destinado a aterros, garante-se até 70% da resistência mecânica obtida sem a adição. Esse valor determinado neste estudo ficou próximo ao exigido por norma, de modo que é recomendado um aprofundamento na pesquisa afim de conhecer melhor o comportamento do resíduo em materiais cimentícios e a viabilidade de seu uso como uma alternativa de adição mineral na produção de argamassas e concretos de cimento Portland. O trabalho desenvolvido traz várias vantagens, uma vez que o potencial de reaproveitamento e reciclagem deste resíduo se apresenta como uma forma de contribuição para o desenvolvimento sustentável, minimização dos danos ambientais, preservação de recursos naturais e obtenção de materiais de baixo custo. AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer as instituições FAPEMIG, CAPES, Fundação Gorceix, UFOP e CNPq pelo apoio financeiro para a realização e apresentação dessa pesquisa. Também somos gratos pela infraestrutura e colaboração do grupo do Grupo de Pesquisa em Resíduos Sólidos RECICLOS CNPq. 3273

11 REFERÊNCIAS 1. Mineração IBd. [Online].; Available from: 2. ABIROCHAS. Balanço das Exportações e Importações Brasileiras de Rochas Ornamentais em 2013, [Online].; 2014 [cited 2016 Agosto 10. Available from: 3. SILVA R. Propostas de Aproveitamento de Resíduos de Ardósia da Cidade de Pompéu, Minas Gerais. Intercâmbio. 2015; 6: p CHIODI FILHO C, CHIODI D. Plano de Ação para Sustentabilidade do Setor de Rochas Ornamentais Ardósia em Papagaios. Relatório Técnico. Belo Horizonte: FEAM; CARMO JBM, PORTELLA KF. Estudo comparativo do desempenho mecânico da sílica ativa e do metacaulim como adições químicas minerais em estruturas de concreto. Cerâmica. 2008; 54: p BAUER LAF. Materiais de Construção: LTC; OLIVEIRA MP, NÓBREGA AF, CAMPO MS, BARBOSA NP. Estudo do caulim calcinado como material de substituição parcial do cimento Portland. In Conferência Brasileira de Materiais e Tecnologias Não-Convencionais: Habitação e Infra- Estrutura de Interesse Social; 2004; Pirassununga. p COUTINHO JS. Materiais de construção 2: Universidade do Porto; FREITAS ES. Caracterização da cinza do bagaço de cana-de-açúcas do município de Campos dos Goytacazes para uso na construção civil. Dissertação de Mestrado. ; TIBONI R. A utilização da cinza da casca de arroz de termoelétrica como componente do aglomerante de compósitos à base de cimento Portland. Dissertação de Mestrado. ; ABNT. NBR 5752: Materiais pozolânicos - Determinação da atividade pozolânica com cimento Portland - Índice de atividade pozolânica com cimento. Rio de Janeiro:; CORDEIRO INP. Análise da variação do índice de amorfismo da cinza de casca de arroz sobre a atividade pozolânica. Dissertação de Mestrado. ; ABNT. NBR 12653: Materiais pozolânicos. Rio de Janeiro: ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS;

12 14. WEBER SL. Metodologia para Obtenção de Sílica de Elevada Reatividade para uso em Concreto de Alto Desempenho a partir do Processamento de Cinza de Casca de Arroz. Universidade Federal de Santa Catarina; LUXÁN MP, MADRUGA F, SAAVEDRA J. Rapiz evaluation of pozzolanic activity of natural products by conductivity measurement. Cement and concrete research. 1989;(19.1): p ABNT. NBR 7215: Cimento Portland - Determinação da resistência à compressão. Rio de Janeiro: ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS; EVALUATION OF THE POZZOLANIC ACTIVITY OF THE SLATE CUTTING RESIDUE ABSTRACT It was evaluated the pozzolanic activity of the residue generated by slate cutting, in order to determine the efficiency of its use as a mineral addition in mortars and Portland concrete. The electrical conductivity method proposed by Luxán, which evaluated the electric conductivity variation of a saturated solution of calcium hydroxide before and after the addition of the pozzolanic material to the solution, was used. Then, the Strength Activity Index (SAI) test was carried out, in which the compressive strengths of the mortars produced with the Portland cement and the slate residue were determined individually for each test specimen, expressed by the average of its repetitions; and thus the Strength Index of each sample was determined. Although the slate residue showed pozzolanic activity, the mortar produced with the material reached a 70% SAI, lower than required by the Brazilian Standard, 75%. Keywords: Slate Residue, Pozzolanic Activity, Portland Cement, Luxán Method, X-Ray Difraction. 3275