Comportamento do vidro reciclado em materiais cimentícios

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1 Comportamento do vidro reciclado em materiais cimentícios D. Serpa 1, A. Santos Silva 2, J. de Brito 3, J. Pontes 4, D. Soares 5 1 DECivil-IST, Universidade Técnica de Lisboa, Av. Rovisco Pais, , Lisboa, Portugal 2 Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Av. Do Brasil 101, , Lisboa, Portugal 3 DECivil-IST, Universidade Técnica de Lisboa, Av. Rovisco Pais, , Lisboa, Portugal 4 DECivil-IST, Universidade Técnica de Lisboa, Av. Rovisco Pais, , Lisboa, Portugal 5 Laboratório Nacional de Engenharia Civil, Av. Do Brasil 101, , Lisboa, Portugal RESUMO As reacções químicas expansivas, em particular a reacção álcalis-sílica (RAS), são um dos mecanismos de degradação do betão. Após ter sido detectada, é muito difícil de trata a RAS e, por isso, é recomendada a aplicação de materiais pozolânicos para mitigar ou inibir os seus efeitos. O vidro é um material que apresenta problemas ambientais quer ao nível da reciclagem quer na sua deposição em aterros. Alguns estudos têm mostrado que o vidro apresenta potencial em materiais cimentícios. Quando utilizado em pó fino, apresenta características pozolânicas; já a sua aplicação como agregado tem apresentado problemas devido ao surgimento da RAS. Este trabalho apresenta os resultados da aplicação do vidro reciclado em argamassas, em substituição do cimento ou de agregados naturais siliciosos reativos aos álcalis. Os resultados mostram que a incorporação de vidro pode ser efectiva, quer como agregado quer como adição, na mitigação da RAS, sendo essa eficiência dependente do teor empregue Palavras-chave: Reacção álcalis-sílica, Reciclagem, Resíduos de construção e demolição, Vidro INTRODUÇÃO O vidro é um dos mais antigos materiais utilizados pelo Homem e a sua utilização é das mais variadas, englobando envidraçados, lâmpadas, monitores, televisores, frascos e garrafas. No entanto, o seu tempo de vida na forma e objectivo para a qual foi projectado é limitado e exige a sua reutilização / reciclagem. Sobolev et al. [1] afirmam que o vidro pode ser reciclado indefinidamente sem perder as suas propriedades. No caso português, Oliveira [2] refere que somente 30% do vidro é reciclado, sendo os restantes 70% colocados em aterro. Nos países desenvolvidos e/ou em vias de desenvolvimento, ocorre uma crescente utilização de matérias-primas, nomeadamente as de origem natural para a produção de agregados e ligantes. O não tratamento do vidro, isto é, a sua colocação em aterro origina graves problemas ambientais. À semelhança de outros subprodutos e resíduos, nomeadamente plástico [3,4], borracha [5,6] e betão [7,8], também o vidro pode ser incorporado no betão como substituto de agregados naturais ou do ligante, com benefícios ambientais e económicos evidentes [9]. No entanto, a sua natureza química e mineralógica obriga ao estudo do comportamento relativamente à reacção álcalis-sílica (RAS). Diversos autores têm mostrado que a aplicação de agregados de vidro reciclado, como substituição de agregados naturais, é uma opção válida, embora os agregados de vidro apresentem algumas características menos boas do que os agregados naturais [10,11]. Por outro lado, a sua introdução como agregado conduz a uma perda de resistência mecânica relativamente significativa, embora alguns autores defendam que até 30% de substituição não ocorre grande redução nesta propriedade [9,11,12,13]. Como referido, o vidro têm potencial para produzir RAS, tendo sido por isso tema de diversos estudos. Dhir et al. [14] demonstraram que o vidro produz expansão significativa a longo prazo, mas que ocorre de forma lenta. Ismail et al. [15] também estudaram a aplicação de vidro como agregado reciclado, tendo verificado que, para uma substituição até 20% de agregado natural silicioso, a argamassa não apresentou expansão superior ao limite da norma ASTM C 1260 [16]. Diversos autores defendem que, quando são utilizados agregados de vidro, o recurso a adições minerais do tipo II pode mitigar a expansão devida à RAS. A este respeito, Topçu [17] verificou o efeito benéfico de cinzas volantes (CV) ou carbonato de lítio. Dhir et al. [14] verificaram que tanto o metacaulino (MK) como a escória granulada de alto-forno (ES) são também efectivos na diminuição da expansão por RAS. Segundo Santos Silva et al. [18], a eficiência das adições depende do tipo e reatividade pozolânica, tendo verificado para um agregado rea-

2 tivo silicioso que 10% de MK, 15% de CV, 40% de ES - 40% ou 10% de sílica de fumo (SF) são teores efectivos na inibição da RAS. Por outro lado, a natureza química e mineralógica do vidro (essencialmente constituído por sílica amorfa) permite que este possa ser utilizado como adição tipo II, desde que tenha granulometria fina. Efectivamente, em Portugal, Pontes et al. [19] verificaram que pó de vidro, obtido por britagem de vidro reciclado (dimensão < 125 µm), apresentava uma reatividade pozolânica semelhante à de cinzas de biomassa. Corinaldesi et al. [20] verificaram que a utilização de vidro em pó (< 100 µm) produz melhorias no desempenho mecânico. Taha e Nounu [21] verificaram que o pó de vidro conduz à diminuição da concentração do ião hidróxilo na solução encontrada nos poros, considerada responsável pela redução do risco de expansão devido à RAS. Este artigo integra-se num estudo mais amplo que visou avaliar o desempenho mecânico [11] e em termos de durabilidade [10] de betões e argamassas incorporando agregados de vidro reciclado. PARTE EXPERIMENTAL Para a realização do trabalho experimental, foi seleccionado um cimento CEM I 42,5 R, três agregados de diferente mineralogia e vidro reciclado (V). Na Tabela 1 apresentam-se as composições químicas destes materiais, obtidas por fluorescência de raios X. Tabela 1 - Composição química dos materiais utilizados Teores (%) Cimento Vidro SiO2 18,81 74,28 Al2O3 5,15 2,01 Fe2O3 3,18 0,11 CaO 63,70 9,60 SO3 2,69 - TiO2+P2O5 - - MgO 1,5 3,38 Na2O 0,19 10,85 K2O 1,02 0,24 Na2Oeq. 0,86 - Perda ao Rubro 3, As argamassas foram preparadas de acordo com a norma ASTM C [22], equivalente à norma ASTM C Utilizou-se vidro reciclado em substituição de agregado natural, tendo-se para o efeito seleccionado três tipos de agregados, um silicioso reativo aos álcalis (expansão > 0,20% aos 14 dias, de acordo com a ASTM C 1260) designado por AR, e dois não reativos, um silicioso e outro calcário, ambos com expansão < 0,10% aos 14 dias, designados por AS-NR (areia siliciosa) e AC-NR (areia calcária), respectivamente. Foram ainda realizadas argamassas com o agregado natural reativo (AR), tendo sido usado vidro em pó (granulometria < 125 µm) com teores de substituição de cimento de 20% e 30% (em massa), respetivamente. Na Tabela 2, são apresentadas as composições estudadas. Para os ensaios de expansão, foram moldados provetes prismáticos de argamassa ( mm) de acordo com a norma ASTM C , confeccionados com razão água / ligante de 0,47. Os prismas foram desmoldados 24 horas após a amassadura, tendo sido imersos em água e colocados numa estufa a 80 ºC durante 24 horas. Após esse período, foi medido o comprimento inicial de cada provete (ponto zero) com um comparador digital (resolução de 1 µm), após o que foram imersos numa solução de NaOH 1M a 80 ºC durante14 dias. Durante este período, efectuaram-se medidas a diversas idades para avaliar a evolução da expansão ao longo do tempo. De acordo com a norma deste ensaio, uma composição que apresente após 14 dias, de imersão em solução de NaOH 1M a 80 ºC, uma expansão < 0,10% é considerada não reativa, e reativa se > 0,20%. Se a expansão se situar entre 0,10 e 0,20%, a composição é considerada potencialmente reativa. Neste estudo, prolongou-se o tempo de medição até aos 28 dias de modo a avaliar a eficiência do vidro a maiores idades de ensaio. Com o objetivo de avaliar a ausência ou presença de compostos RAS, e neste último caso a sua composição, após os ensaios de expansão efectuaram-se observações ao microscópio electrónico de varrimento, que foram complementadas com a microanálise de raios X por dispersão de energias (EDS). As análises foram realizadas em provetes de argamassa (obtidos por fratura) num MEV JEOL JSM-6400, com um EDS da Oxford utilizando tensões de feixe de 15 kev.

3 Tabela 2 - Composição das argamassas ensaiadas Agregado Material cimentício (4.75 mm µm) Designação da argamassa Adição (substituição em massa) gado ção em Agre- Vidro (substitui- Cimento massa) Agregado de vidro Agregado silicioso não reativo AS-NR) Agregado calcário não reativo (AC-NR) Agregado silicioso reativo (AS-R) Água g g % g g % ml AV AS-NR AS-NR ,5 49,5 5 AS-NR AC-NR AC-NR ,5 49,5 5 AC-NR AS-R AS-R ,5 49,5 5 AS-R AS-R + (80CP + 20V) AS-R + (70CP + 30V) RESULTADOS E DISCUSSÃO Na Figura 1, à esquerda, mostra-se os resultados obtidos na composição AV (100% de vidro reciclado). Estes evidenciam que o vidro apresenta uma reatividade lenta e retardada aos álcalis. No entanto, de acordo com os limites da norma ASTM C 1260, o vidro seria considerado de agregado não reativo, já que o valor de expansão obtido aos 14 dias foi inferior a 0,10%. As Figuras 1, à direita, e 2, à esquerda, apresentam as curvas de expansão das composições com os agregados AS-NR e AC-NR, tendo o vidro sido usado em substituição de 5% e 20% de agregado. Os resultados mostram que o vidro não altera a expansão aos 14 dias do agregado natural, embora aos 28 dias se verifique um ligeiro aumento. Este efeito pode estar uma vez mais relacionado com a reatividade lenta e retardada aos álcalis do vidro utilizado. Nos dois casos, os valores de expansão ficaram abaixo dos limites da norma ASTM C 1567, mas observa-se que a expansão é maior quando se usa o vidro em substituição de AS-NR do que em substituição de AC-NR. Esta situação parece estar relacionada com a natureza mineralógica do agregado natural empregue, pois neste particular é de esperar que os agregados siliciosos libertem maior quantidade de sílica para a solução intersticial do que os de natureza calcária. Figura 1 - Curva de expansão da composição AV (100% vidro) no ensaio ASTM C 1260 (à esquerda) e efeito da substituição de agregado natural AS-NR por vidro britado em ensaios de expansão segundo a norma ASTM C 1567 (à direita). Na Figura 2, à direita, são apresentados os resultados obtidos com o agregado AS-R. Neste caso, verifica-se que a substituição do agregado natural por vidro provoca uma diminuição da expansão, que diminui com o aumento do teor de substituição. Por outro lado, ocorre um comportamento interessante dos 25 para os 28 dias nas composições AS-R 5 e AS-R 20, que se traduz numa atenuação da expansão relativamente às composições só de AS-R ou só de AV.

4 Este efeito pode dever-se ao conhecido teor péssimo que ocorre em determinados agregados naturais, e que está relacionado com os teores de sílica reativa e de álcalis na solução. Esta situação pode ser favorável à utilização do vidro como agregado em substituição de AS-R. Figura 2 - Efeito da substituição de agregado natural AC-NR (à esquerda) e de agregado natural AS-R (à direita) por vidro britado em ensaios de expansão segundo a norma ASTM C Na Figura 3, à esquerda, analisa-se o comportamento do vidro em pó em substituição (% em massa) de ligante. Verifica-se que a aplicação do vidro permite diminuir a expansão, comparativamente à composição com apenas CEM I, o que evidencia que o vidro tem um comportamento pozolânico. Contudo, não se observa uma melhoria significativa da redução da expansão com o aumento do teor de substituição por vidro, facto que se atribui à sua baixa reatividade pozolânica. De facto, Pontes et al [19] verificaram que o vidro moído com esta granulometria apresenta um comportamento pozolânico que é moderado e semelhante ao de outras adições minerais, por exemplo cinzas de biomassa (CB). Este comportamento também é coerente com os resultados de outros autores [23], que referem que é necessário um teor de substituição superior a 50% de cimento por vidro (% em massa) para que o vidro não cause expansão. Para comparação, mostra-se, na Figura 3, à direita, o efeito na redução da expansão devida à RAS da substituição de 20% de cimento CEM I 42,5R por diferentes tipos de adições minerais, nomeadamente MK, CV, V, e CB [18]. Verifica-se que as maiores reduções de expansão são para o MK e CV, respetivamente, o que se correlaciona, de acordo com os dados de Pontes et al. [19] com a reatividade pozolânica que esses materiais apresentam. Figura 1 - Efeito da substituição de cimento por vidro em pó (granulometria < 125 µm) com agregado natural AS-R em ensaios de expansão segundo a norma ASTM C 1567 (à esquerda) e diminuição da expansão devida à RAS por introdução de adições minerais (à direita). Complementarmente, após os ensaios de expansão, efectuaram-se observação ao MEV/EDS para avaliar a quantidade e composição de eventuais geles RAS formados. As observações ao MEV/EDS evidenciaram em todas as amostras, com e sem incorporação de vidro, a formação de produtos da RAS, tanto de forma cristalina como de geles. Este resultado não é surpreendente já que as condições do, ensaio, ASTM C 1260 ou 1567, solução 1M de NaOH a 80º C, são consideradas muito agressivas.

5 De acordo com as análises por EDS, verifica-se que os produtos cristalinos apresentam uma composição mais rica em álcalis do que os produtos amorfos que são mais ricos em cálcio. A estes últimos está associado um maior carácter expansivo, relacionado com o seu maior teor em cálcio [24]. Constatou-se que a composição AS-R é a que apresenta maior quantidade de produtos da RAS na forma amorfa e dispersa por toda a pasta (Figura 4). Figura 4 - a) Imagem ao MEV da pasta da argamassa AS-R com gel de morfologia amorfa; b) Espectro EDS do gel RAS. A composição AV apresenta igualmente elevada quantidade de produtos da RAS na forma amorfa mas os geles estão essencialmente localizados em zonas de interface vidro / pasta. Esta situação indicia, conforme referido por Dhir et al. (2009), dissolução e lixiviação superficial da sílica do vidro - Figura 5, e explica a evolução da expansão com o decorrer do tempo de ensaio. RAS Figura 2 Imagem de MEV da argamassa AV em que é visível a formação de gel RAS na periferia dos grãos de vidro. Relativamente às argamassas com vidro em substituição de agregados naturais não reativos (AS-NR e AC-NR) observa-se, comparativamente à argamassa AS-R, uma diminuição da proporção de geles RAS, embora a quantidade de gel formado aumente com o teor de substituição, o que se correlaciona com a expansão obtida - Figuras 6 e 7. Figura 6 - Imagens de MEV de geles RAS nas argamassas AC-NR (a) e AC-NR 20 (b).

6 Figura 7 - Imagens de MEV de geles RAS nas argamassas AS-NR (a) e AS-NR 20 (b). Nas Figuras 6 e 7, é evidente uma maior quantidade de gel de RAS nas argamassas com 20% de vidro. Por outro lado, as análises EDS da pasta do ligante (Figuras 8 e 9) revelaram uma maior quantidade de silício nas argamassas em que houve maior incorporação de vidro, o que pode indiciar a dissolução e lixiviação da sílica do vidro. A confirmar-se, este facto pode originar uma maior formação de produtos da RAS na pasta. Figura 8 - Espectros EDS das pastas correspondente às argamassas AC-NR (a) e AC-NR20 (b) Figura 9 - Espectro EDS das pastas correspondentes às argamassas AS-NR (a) e AS-NR20 (b) Na Figura 7, é ainda evidente uma maior presença de produtos RAS amorfos (mais expansivos) na argamassa AS-NR20. Este dado pode explicar a diferença de expansão detectada nas argamassas com o agregado AS-NR. As observações ao MEV/EDS das argamassas com incorporação de vidro moído - Figura 10 - mostram presença de produtos RAS na forma amorfa assim como na forma cristalina. No entanto, verificou-se que, em comparação com a argamassa AR, a quantidade de produtos RAS é menor. Também as análises por EDS da pasta indicam, comparativamente, uma diminuição do pico do silício, relativamente ao do cálcio. Estes resultados parecem pois evidenciar que o vidro moído tem algum comportamento pozolânico, o que confirma a menor presença de produtos RAS detectadas por MEV/EDS. CONCLUSÕES Os resultados obtidos nesta campanha experimental mostram que o vidro reciclado apresenta potencial como agregado ou como adição mineral, embora a sua influência na RAS dependa do teor de substituição e da granulometria em que é empregue. Em resumo, conclui-se que: 1. O emprego de misturas de agregados naturais não reativos aos álcalis com vidro reciclado é viável para materiais de matriz cimentícia, sendo neste particular mais eficiente a

7 mistura com agregados de natureza calcária; 2. O uso de misturas de agregados naturais reativos aos álcalis com agregados de vidro reativo é mais eficaz do que apenas o emprego de agregados naturais reativos; 3. O vidro moído tem características que possibilitam o seu uso como pozolana em argamassas e betões; 4. O vidro moído pode ser empregue como adição mineral na mitigação da RAS quando em presença de agregados reativos naturais; 5. A granulometria do vidro reciclado parece influenciar decisivamente o seu uso em termos do seu comportamento à RAS, sendo mais vantajosa a menor granulometria; 6. O emprego de misturas binárias poderá incrementar a capacidade mitigadora das adições minerais, bem como a maior utilização de reciclados de vidro em materiais cimentícios. b) a) Figura 3 - a) Imagem ao MEV da pasta da argamassa AR+80CP+20V e respectivo espectro EDS (b) AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o apoio da FCT - Fundação para a Ciência e a Tecnologia no âmbito do projeto IMPROVE (Melhoria do desempenho de agregados para a inibição das reacções álcalis-agregado no betão, PTDC/ECM/115486/2009). BIBLIOGRAFIA 1. Sobolev, K., Türker, P., Svetlana, S., Iscioglu, G., Utilization of waste glass in ECOcement: Strength properties and microstructural observations, Waste Management 27 (7), pp Oliveira, L., Gomes, J., Santos, P., Avaliação de desempenho da substituição de areia natural por areia de resíduos de vidro em betões estruturais, BE Encontro Nacional de Betão Estrutural 2008, Guimarães, Artigo Ferreira, L., de Brito, J., Saikia, N. Influence of curing conditions on the mechanical performance of concrete containing recycled plastic aggregate, Construction and Building Materials 36, pp Silva, R., de Brito, J., Saikia, N., Influence of curing conditions on the durability-related performance of concrete made with selected plastic waste aggregates. Cement and Concrete Composites (submitted for publication) 5. Bravo, M., de Brito, J., Concrete made with used tyre aggregates: Durability-related performance, Journal of Cleaner Production 25 (4), pp Valadares, F., Bravo, M., de Brito, J., Concrete with used tyre rubber: Mechanical performance, ACI Materials Journal 109 (3), pp Evangelista, L.; de Brito, J., Mechanical behaviour of concrete made with fine recycled concrete aggregates, Cement and Concrete Composites 29 (5), pp Evangelista, L.; de Brito, J., Durability performance of concrete made with fine recycled concrete aggregates. Cement & Concrete Composites 32 (1), pp Topçu, I. B., Canbaz, M., Properties of concrete containing waste glass, Cement and

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