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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA (PPMEC)
Bruno Costa Chaves
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE
COMPÓSITO CIMENTÍCIO FABRICADO COM A
UTILIZAÇÃO DA ESCÓRIA DE LIGAS FeSiMn.
São João del-Rei, 2016
Bruno Costa Chaves
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE
COMPÓSITO CIMENTÍCIO FABRICADO COM A UTILIZAÇÃO DA ESCÓRIA DE LIGAS FeSiMn.
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado
da Universidade Federal de São João del-Rei,
como requisito para obtenção do título de Mestre
em Engenharia Mecânica.
Área de concentração: Materiais e processos
de Fabricação
Orientador: Dr. Kurt Strecker
São João del-Rei, 2016
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA (PPMEC)
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
AVALIAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE
COMPÓSITO CIMENTÍCIO FABRICADO COM A
UTILIZAÇÃO DA ESCÓRIA DA PRODUÇÃO DE LIGAS
FeSiMn.
Autor: Bruno Costa Chaves
Orientador: Dr. Kurt Strecker
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação:
Prof. Dr. Kurt Strecker
Universidade Federal de São João del Rei
Prof. Dr. Roseli Balestra
Universidade Federal de São João del Rei
Prof. Dr. Claudinei dos Santos
Universidade do Estado do Rio de Janeiro
São João del Rei, 30 de outubro de 2016.
DEDICATÓRIA
A meus pais, noiva, irmão, orientador, colegas de trabalho pela força, apoio,
incentivo, companheirismo e por acreditarem sempre no meu trabalho.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho não poderia ser terminado sem a ajuda de diversas pessoas às quais
presto minha homenagem:
Aos meus pais, José Geraldo Chaves e Wanda Léa Araújo Costa pelo apoio e
incentivo em todos os momentos de minha vida e pelo amor incondicional. Agradeço
por possibilitarem minha educação e formação profissional.
A minha noiva Silvana Facion dos Santos pelo carinho, companheirismo e por
acreditar sempre que conquistaria meus objetivos. Agradeço também a sua família
por me acolher muito bem em São João del Rei.
Ao meu irmão Rafael Costa Chaves pelos longos anos de amizade e parceria.
Ao Prof. Dr. Kurt Strecker por me mostrar os caminhos a serem seguidos e ensinamentos passados durante esses anos de convívio.
Aos técnicos André Santos e Alexandre Einstein do CITEC pelo auxílio na
realização dos ensaios mecânicos realizados na Universidade Federal de São João
del Rei.
Ao Programa de Mestrado em Engenharia Mecânica (PPMEC) da UFSJ por
todo auxílio prestado e por abrir diversas portas em minha vida.
Ao Departamento de Ciências Térmicas e Fluidos (DCTEF) por confiar em
meu trabalho à frente de diversas disciplinas.
Aos professores do PPMEC, que ajudaram de forma direta e indireta na
conclusão deste trabalho.
Aos amigos, colegas e familiares por compartilharem os momentos vividos
durante a realização do trabalho.
“O estudo foi para mim o remédio soberano contra os
desgostos da vida, não havendo nenhum desgosto de
que uma hora de leitura não me tenha consolado”.
Montesquieu
Resumo
A escória resulta do processo de fabricação de ferroligas, sendo muitas vezes
descartadas no ambiente. O propósito deste trabalho é avaliar as propriedades
mecânicas de um compósito cimentício fabricado com a utilização de escória
proveniente da produção de ligas FeSiMn em adição a areia. Foram fabricados
corpos de prova cilíndricos de 50 mm de diâmetro por 100 mm de altura com
diferentes frações mássicas de escória, sendo 20%, 40% e 60%, em relação ao total
de areia utilizada. O traço areia-cimento foi 3:1 e a relação água-cimento foi 0,5.
Foram fabricados também corpos de referência (sem adição de escória). Neste
experimento, a matriz do compósito foi o Cimento Portland Comum e a fase
dispersa, partículas de escória geradas na produção das ligas FeSiMn em duas
faixas granulométricas (4 – 20 US Tyler, 20 – 200 US Tyler). Os corpos foram
curados no período de 28 dias e após o tempo de cura submetidos a ensaios de
compressão, densidade, absorção de água e porosidade. A metodologia
experimental está embasada na abordagem estatística de planejamento e análise
experimental. Os resultados mostraram um ganho significativo de resistência a
compressão quando a fração de escória variou de 20% para 40%. Com 60% os
resultados mostraram a maior resistência a compressão, porém na análise
experimental o resultado não foi considerado significativo. Absorção de água
apresentou queda com o aumento da quantidade de escória, assim como a
porosidade. A densidade volumétrica teve um pequeno aumento. Quando o grão de
escória utilizado possuía maior granulometria, a resistência a compressão também
se mostrou maior.
PALAVRAS-CHAVE: escória, argamassa, compósito, propriedades mecânicas.
ABSTRACT
The slag results from ferroalloy production process, is often discarded in the
environment. The purpose of this study is to evaluate the mechanical properties of a
cementitious composite manufactured using slag from the production of FeSiMn
alloys in addition to sand. In this experiment, the composite matrix was the Portland
Common Cement and the dispersed phase, slag particles generated in the
production of FeSiMn leagues in two particle sizes (4–20 US Tyler, 20–200 US
Tyler). Cylindrical specimens of 50 mm diameter by 100 mm in height were fabricated
with different mass fractions slag, 20%, 40% and 60%, relative to the total sand used.
The trace sand-cement was 3:1 and the water-cement ratio was 0.5. Reference
specimens were also made (without the addition of slag). In this experiment, the
composite matrix was the Portland Common Cement and the dispersed phase, slag
particles generated in the production of ferroalloys FeSiMn in two particle sizes (4–
20 US Tyler, 20-200 US Tyler). The specimens were cured in 28 days and after cure
time subjected to compression tests, density, water absorption and porosity. The
experimental methodology is grounded in the statistical approach of planning and
experimental analysis.The results showed a significant gain in compressive strength,
density, water absortion and porosity when slag fraction varied from 20% to 40%. In
composites with addition of 60% slag, the results showed the greatest resistance to
compression, but in the experimental analysis, the result was not considered
significant. Water absorption decreased with increasing the amount of slag, as well
as the porosity. The bulk density increased slightly. When the slag grain used had
higher particle size, the compressive strength was also higher.
KEYWORDS: slag, composites, mortar, mechanical porperties.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1. Mapa de Minas Gerais 02
Figura 1.2. Mapa da Região de São João del Rei - MG 03
Figura 2.1. Variação da resistência à compressão de concretos em função
da densidade dos agregados leves 06
Figura 2.2. Padrões gráficos dos graus de esfericidade e arredondamento 10
Figura 2.3. Morfologia dos grãos das areias 10
Figura 2.4. Representação esquemática da liberação de calor (A)
é a concentração de Ca2+ em solução (B) durante a hidratação do
cimento Portland. Indicações das etapas de reação: (I) Estágio inicial;
(II) Período de indução; (III) Período de aceleração;
(IV) Período de desaceleração; e (V) Estágio final. 21
Figura 2.5. Micrografia Eletrônica de Varredura da Etringita 22
Figura 2.6. Classificação dos materiais compósitos 26
Figura 3.1. Britador de mandíbula 37
Figura 3.2. Dispositivo para definição da massa específica. 38
Figura 3.3. Moldes de PVC com 50 mm de diâmetro e 120 mm de altura 38
Figura 3.4. Mini betoneira fazendo a mistura das fases. 39
Figura 3.5. Procedimento para retirar o ar do interior dos corpos de prova 40
Figura 3.6. Procedimento para retirar o ar do interior dos corpos de prova 40
Figura 3.7. Retífica utilizada para garantir a planicidade da extremidade dos corpos
de prova 41
Figura 3.8. Corpos imersoso em água para realização do ensaio de absorção de
água. 42
Figura 3.9. a) Massa do compósito seco (M1); b) Massa do compósito
úmido (M2); c) massa do compósito imerso (M3). 43
Figura 4.0. Equipamento utilizado para realização do ensaio de compressão 45
Figura 4.1. Corpo de prova após a ruptura com a visualização das escórias 47
Figura 4.2. Densidade aparente dos compósitos cimentícios 48
Figura 4.3. Absorção de água dos compósitos cimentícios 48
Figura 4.4. Porosidade dos compósitos cimentícios 49
Figura 4.5. Porosidade dos compósitos cimentícios 49
Figura 4.6. . Gráfico efeito da interação faixa granulométrica de escória e fração de
quantidade de escória sobre a média da densidade aparente 50
Figura 4.7. Gráfico efeito da interação faixa granulométrica de escória e fração de
quantidade de escória sobre a média da absorção de água 51
Figura 4.8. Gráfico efeito da interação faixa granulométrica de escória e fração de
quantidade de escória sobre a média da porosidade 52
Figura 4.9. Gráfico efeito da interação faixa granulométrica de escória e fração de quantidade de escória sobre a média da resistência a compressão. 53
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1. Classificação do agregado quanto a baridade 08
Tabela 3.1. Níveis e fatores do experimento 33
Tabela 3.2. Planejamento fatorial completo 34
Tabela 3.3. Massa mínima, por amostra de ensaio 35
Tabela 3.4. Composição química percentual da escória. Dados fornecidos
pela Granha Ligas S.A 37
Tabela 3.5. Resistência a compressão da argamassa 44
Tabela 4.1. Análise de variância e significância dos resultados 54
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS
ABNT: Associação Brasileira de Normas
Técnicas; CITEC: Centro de Inovação e
Tecnologia em Compósitos; CP: Cimento Portland DOE: Design of Experiment (Desenho do Experimento);
MEV: Microscopia eletrônica de varredura; Minitab: Software para análises estatísticas;
NBR: Normas Brasileiras de Regulamentação;
PVC: Policloreto de povilinila (plástico);
UFSJ: Universidade Federal de São João del
Rei US-Tyler: Tamanho de malha para seleção
MPa: Mega Pascal
g/cm³: gramas por centímetro
cúbico CH: Hidróxido de cálcio C-
S-H: Silicato de cálcio hidratado
IAP: Indice de atividade pozolânica
A/C: Relação água/cimento
LISTA DE SÍMBOLOS
F1: Índice de basicidade;
M1: Massa do compósito seco;
M2: Massa do corpo de prova úmido M3:
Massa do corpo de prova imerso em água P: Porosidade; Aa: Absorção de
água; Dap: Densidade
aparente CaO: Óxido
de Cálcio SiO2: Sílica
C3S: Silicato tricálcico
C2S: Silicato bicálcico
Al2O3: Alumina
Ca(OH)2 : Hidróxido de cálcio
ou portlandita Si/Ca: Silício /
Cálcio Al2O3: Alumina
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................................................. 1
1.1. OBJETIVO GERAL ...................................................................................................................................... 4
1.2. OBJETIVO ESPECÍFICO .............................................................................................................................. 4
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .............................................................................................................................. 5
2.1. AGREGADOS ............................................................................................................................................. 5
2.1.1. Agregados leves ................................................................................................................................... 5
2.1.2. Agregados pesados ............................................................................................................................. 7
2.1.3. Classificação segundo a densidade .................................................................................................. 7
2.1.4. Classificação segundo a baridade ..................................................................................................... 7
2.1.5. Granulometria ..................................................................................................................................... 8
2.1.6. Geometria ............................................................................................................................................ 9
2.2. ESCÓRIA .................................................................................................................................................. 11
2.3. EFEITO POZOLÂNICO ............................................................................................................................. 12
2.4. CIMENTO PORTLAND ............................................................................................................................ 15
2.4.1. Histórico ............................................................................................................................................. 15
2.4.2. Características ................................................................................................................................... 16
2.4.3. Clínquer .............................................................................................................................................. 16
2.4.4. Adições ............................................................................................................................................... 17
2.4.5. Hidratação .......................................................................................................................................... 19
2.4.6. Principais tipos................................................................................................................................... 23
2.4.7. Comum ............................................................................................................................................... 24
2.5. COMPÓSITOS .......................................................................................................................................... 25
2.5.1. Definição ............................................................................................................................................. 25
2.5.2. Classificação ....................................................................................................................................... 26
2.5.2.1. Compósitos particulados ............................................................................................................ 26
2.5.2.2. Compósitos com partículas grandes ......................................................................................... 27
2.6. ARGAMASSA ........................................................................................................................................... 27
2.6.1. Classificação ....................................................................................................................................... 27
2.6.2. Classificação segundo emprego ...................................................................................................... 28
2.6.3. Classificação segundo tipo de aglomerante .................................................................................. 29
2.6.3.1. Argamassas de cal ........................................................................................................................ 29
2.6.3.2. Argamassas de gesso ................................................................................................................... 29
2.6.3.3. Argamassas de cimento .............................................................................................................. 29
2.6.4. Classificação segundo a dosagem ................................................................................................... 30
2.6.5. Requisitos ........................................................................................................................................... 30
2.7. CONCRETO .............................................................................................................................................. 30
3. MATERIAIS E MÉTODOS .............................................................................................................................. 32
3.1. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ..................................................................................................... 32
3.2. PLANEJAMENTO DO EXPERIMENTO ................................................................................................... 32
3.2.1. Seleção das variáveis de resposta .................................................................................................. 32
3.2.2. Seleção dos níveis e fatores experimentais .................................................................................. 32
3.3. CARACTERIZAÇÃO DA ESCÓRIA. .......................................................................................................... 34
3.2.2. Caracterização granulométrica ....................................................................................................... 34
3.2.2. Caracterização química e mineralógica ......................................................................................... 37
3.2.2. Massa específica................................................................................................................................ 37
3.4. CONFECÇÃO DOS CORPOS DE PROVA ................................................................................................ 38
3.5. CARACTERIZAÇÃO DOS CORPOS DE PROVA ...................................................................................... 41
3.5.1. Método de Arquimedes ................................................................................................................... 41
3.5.2. Resistência à compressão ................................................................................................................ 43
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ....................................................................................................................... 46
4.1. CARACTERIZAÇÃO DA ESCÓRIA ........................................................................................................... 46
4.2. ANÁLISE ESTATÍSTICA ............................................................................................................................ 47
4.3. DENSIDADE APARENTE ......................................................................................................................... 49
4.4. ABSORÇÃO DE ÁGUA............................................................................................................................. 50
4.5. POROSIDADE .......................................................................................................................................... 51
4.6. RESISTÊNCIA A COMPRESSÃO.............................................................................................................. 52
4.7. ANÁLISE DE VARIÂNCIA. ....................................................................................................................... 54
5. CONCLUSÃO ................................................................................................................................................... 56
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................................. 57
ANEXO A ............................................................................................................................................................ 65
1
1. Introdução
Desde o seu surgimento, o ser humano desenvolveu habilidades e técnicas para
melhor utilizar os recursos naturais para sua sobrevivência. No início, eram fontes de
alimento e com o passar dos anos foram percebidas várias utilidades para os
recursos naturais, como por exemplo a fabricação de ferramentas para caça e pesca,
recipientes para armazenagem, moradia, transporte e geração de energia.
Com o desenvolvimento tecnológico e o advento da revolução industrial, o
objetivo principal passou a ser o crescimento econômico em curto prazo, utilizando
novos processos produtivos e a exploração intensiva de energia e matérias-primas.
A relação entre o ser humano e a natureza sempre foi muito delicada, porém
nos primórdios a natureza aceitava passivamente os despejos e os recursos eram
abundantes. Porém, com o passar do tempo o ambiente natural deu lugar aos
grandes centros urbanos caracterizados pela alta densidade demográfica, relação
desproporcional entre ambiente construído e ambiente natural, necessidade de
importação de energia para manter o sistema em funcionamento, alteração
significativa da diversidade biológica nativa, impermeabilização do solo, alteração
de cursos de água e consequentemente aumento da poluição.
As indústrias de fabricação e transformação de materiais produzem, em maior
ou menor grau, uma certa quantidade de resíduos que nem sempre são
reaproveitados ou têm um destino ecologicamente correto. Dar um destino correto a
estes subprodutos constitui um grande desafio. Em alguns casos, estes produtos
secundários podem ser reutilizados diretamente ou podem ser aproveitados como
matéria prima básica em outros processos industriais (ISO 14040, 2001).
A destinação dos resíduos afeta diretamente o meio ambiente, sendo uma
fonte de poluição do ar, água e solos, afetando também o crescimento de vegetação.
O problema da contaminação e degradação do meio ambiente devido a
natureza tóxica de alguns tipos de resíduos sólidos também é um fator
importante na destinação dos rejeitos, podendo gerar danos nos solos e
lençóis freáticos durante seu ciclo de vida (RODRIGUES, 2012).
Nos últimos anos, a preocupação com a preservação do meio ambiente vem
aumentando cada vez mais sendo possível notar maior divulgação da causa,
grande interesse das empresas em terem seus nomes ligados à preservação e
2
principalmente reuniões de líderes mundiais em conferências das Organizações
das Nações Unidas (ONU), visando estabelecer metas e objetivos na preservação
do meio ambiente.
Diante desta realidade o desenvolvimento de trabalhos de pesquisa que
contemplem a utilização de resíduos, dentro de uma visão que trata esses poluentes
como matérias-primas importantes para aplicações com maior valor agregado
visando a sua transformação em bens úteis para a sociedade e a proteção do meio
ambiente, é uma iniciativa importante e necessária (CASAGRANDE, 2008).
A utilização dos resíduos na construção civil pode ser viabilizada pela
utilização na fase dispersa de compósitos, mantendo-se o processo de
produção igual ao convencionalmente utilizado, a fim de que as propriedades
do produto sejam reproduzidas.
Neste contexto o presente trabalho visa contribuir para o reaproveitamento dos
resíduos gerados na fabricação de ferro-ligas FeSiMn encontrados na região de São
João Del-Rei, Minas Gerais fornecidos pela empresa Granha Ligas S.A, situada na
região. A figura 1.1 mostra o mapa de Minas Gerais com destaque para a região de
São João Del-Rei. Na figura 1.2 são mostradas as principais cidades da região.
Figura 1.1. Mapa de Minas Gerais
3
F
igura 1.2. Mapa da região de São João del Rei-MG.
Atualmente, esses resíduos têm como destinação final a substituição do
cascalho em estradas de terra, sendo empregado também pela Prefeitura
Municipal de São João Del-Rei em suas atividades de tapa-buraco.
Segundo a Fundação Estadual do Meio Ambiente (2010), o processo de
obtenção das ligas FeSiMn gera como principais resíduos o material particulado
(pó) que fica retido nos filtros de mangas e nos ciclones e a escória gerada no
processo de fusão da liga. Para a produção de 1 tonelada de liga,
aproximadamente 0,9 toneladas de escória foram geradas em 2010. Rai (2002)
apresenta que aproximadamente 800 – 900 kg de escória são geradas na produção
de 1 tonelada de liga, representando 200 toneladas de escória por dia.
4
1.1 Objetivo Geral
Essa pesquisa tem como objetivo geral avaliar a viabilidade técnica do
uso de escória de ferro liga sílico manganês como agregado para misturas na
fabricação de compósitos cimentícios.
1.2 Objetivo Específico
Como objetivos específicos o presente trabalho possui:
Caracterizar a escória de ferroliga através da análise granulométrica e
verificação da geometria das partículas;
Realizar dosagem de misturas de argamassa com o uso da escória de
ferroliga como agregado em diferentes proporções da escória, variação
de faixa granulométrica.
Definir a resistência a compressão, densidade aparente, porosidade e
absorção de água das condições propostas.
Avaliar o efeito pozolânico da escória.
5
2.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Agregados
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.
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 e argilas expandidas, entre outros.
Outro fator que define a classificação dos agregados é sua massa
específica aparente, onde podemos dividi-los em leves (argila expandida,
pedra-pomes, vermiculita), normais (pedras britadas, areias, seixos) e pesados
(hematita, magnetita, barita) (www.portaldoconcreto.com.br, 2015).
2.1.1. Agregados leves
Os agregados leves são utilizados para a fabricação do concreto leve,
com o objetivo de reduzir o peso próprio em algumas estruturas, possuindo a
vantagem de permitir melhor isolamento térmico comparado a um concreto
comum (COUTINHO, 1999).
Hoje em dia os agregados leves são fabricados por diversos processos,
como por exemplo:
Argilas ou xistos expandidos, obtidos pelo aquecimento de algumas
rochas deste tipo.
Escória de alto-forno expandida, obtida pela injeção de água, vapor de
água ou ar comprimido para resfriar a escória fundida de alto-forno.
Granulado de cortiça.
6
Coutinho (1999) afirma que a maior desvantagem da utilização de
agregados leves é a obtenção de concretos com baixa resistência à
compressão. Porém, a qualidade e as propriedades dos agregados leves
variam de acordo com a densidade, obtendo variações na resistência à
compressão, conforme indicado na Figura 2.1.
Figura 2.1 – Variação da resistência à compressão de concretos
em função da densidade dos agregados leves
Fonte: COUTINHO, 1999.
7
2.1.2. Agregados pesados
Para a obtenção de compostos com propriedades elevadas, utilizam-se
agregados pesados, obtidos da barita, magnetita ou escórias. Produzindo
concretos de densidade por volta de 3500 – 4500 kg/m³.
2.1.3. Classificação segundo a densidade
Conforme a massa volúmica (ϒ) do agregado a classificação é feita da
seguinte forma:
Agregados leves < 2000 kg/m³
Agregados com (ϒ) normal: 2000 a 3000
kg/m³ Agregados pesados: > 3000 kg/cm³
2.1.4. Classificação segundo a baridade
Coutinho (1999) diz que a baridade de um
agregado é definida como a massa por unidade de volume do agregado
contida num recipiente, isto é, o volume inclui os espaços entre as partículas
do agregado e entre as partículas e o recipiente.
É evidente que o intervalo granulométrico que compõe o agregado, a
forma das partículas e o seu arranjo no recipiente contribuem para o valor da
baridade e a classificação segundo a baridade é equivalente à classificação
segundo à massa volúmica, como se verifica na tabela 2.1.
8
Tabela 2.1. Classificação do agregado quanto à baridade
Fonte: Coutinho, 1999.
Classificação Baridade, Exemplos de agregados Aplicação e designação do
do agregado Kg/m³ betão
Ultraleve <300 Polistireno expandido Com funções estritamente de
Polistireno expandido peletizado (d=4-5mm) isolamento térmico e sem
Vermiculite funções de resistência
Perlite expandida
Vidro expandido
Leve 300 a 1200 Argila expandida (d=5-20mm) Com funções de isolamento
térmico, resistência (betão
estrutural) e diminuição do
peso próprio
Denso (normal) 1200 a 1600; Areia Normal, com função de
1200 a 1400; Godo resistência (betão estrutural)
1300 a 1500 Rocha britada
Extradenso >1700 Limonite Com funções de proteção
Magnetite contra as radiações atômicas
Barite e com funções resistentes
2.1.5 Granulometria dos agregados
A norma ABNT NBR 7211 (2009) fixa as características exigíveis na recepção e
produção de agregados, miúdos e graúdos, de origem natural, encontrados
fragmentados ou resultantes da britagem de rochas para concreto. 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 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.
9
2.1.4. Influência da geometria
A geometria do grão é definida quanto a relação de dimensões (grão
alongado, grão esférico, grão cúbico, grão lamelar, grão discóide ou grão
quadrático), arestas e cantos (grão anguloso ou grão arredondado) e textura
superficial das faces (grão liso ou grão áspero).
A norma ABNT NBR 7211 (2009), especifica um limite superior para o
índice de forma de agregados graúdos para concreto, não havendo, entretanto,
nenhuma especificação ou relação deste valor para especificar um agregado
miúdo para argamassa.
Bouqeuty et al. (2007) observaram que a forma do agregado miúdo é um
parâmetro essencial na determinação das propriedades de uma argamassa, e
que a maneira como o agregado é obtido influencia significativamente no
tamanho e forma dos agregados. A origem dos agregados miúdos determina a
forma de suas partículas. Agregados miúdos naturais tendem a ser
arredondados, devido ao efeito cumulativo de colisões múltiplas e abrasão. Já
os agregados miúdos industriais são produtos de trituração que determinam
grãos com formas distintas de partículas, que dependem da composição da
rocha-mãe, modo de fratura, coordenação durante a trituração, e a relação de
redução. O processo de trituração tende a produzir partículas angulares de
forma afiada. Partículas angulares de maior dureza produzem um pacote
granular de menor densidade, baixa tensão e maior ângulo de atrito crítico
quando comparado com os agregados miúdos naturais (CORTES et al., 2008).
Tristão (2005) observou, em estudos realizados com argamassas, que em
função dos diferentes parâmetros texturais encontrados para os diferentes agregados
utilizados em seu estudo, as propriedades das argamassas no estado fresco foram
alteradas sendo que, quanto mais arredondado e esférico o grão e menos rugosa sua
textura superficial, menor a quantidade de pasta de argamassas, o que implica em um
menor consumo de aglomerantes e de água de amassamento. Ainda segundo Tristão
(2005) a forma dos grãos de areia para argamassa de revestimento deve ser
representada através da determinação do arredondamento e da esfericidade. Para
expressar esses coeficientes existem métodos, alguns por
10
comparação visual com imagens de padrões definidos e outros quantitativos
(ARAÚJO, 2001; D´AGOSTINO, 2004; TRISTÃO, 2005).
Segundo a ABNT NBR 7389 (2009), deve-se avaliar a forma do grão
visualmente, ou com auxílio de lupa, e compara-se com padrões gráficos que
indicam o grau de esfericidade e arredondamento, conforme figura 2.2.
Figura 2.2. Padrões gráficos dos graus de esfericidade e
arredondamento. Fonte: ABNT NBR 7389 (2009).
Uma classificação numérica fornecida pelo programa QWIN realizada em
laboratório foi proposta por D´Agostino (2004) para o grau de arredondamento,
conforme apresentado na figura 2.3.
Figura 2.3. Morfologia dos grãos das areias
Fonte: D´Agostino (2004);
11
2.2. ESCÓRIA
A escória de FeSiMn é um resíduo gerado na produção da liga de ferro silício
manganês (FeSiMn). Esta liga faz parte do grupo das chamadas ligas de manganês.
As ligas de manganês compreendem quatro tipos de ligas. Uma é a liga de FeSiMn,
que possui a maior produção dentre as quatro ligas de manganês, as outras são três
classificadas em categorias de acordo com o seu teor de carbono: Ferro Manganês
Alto Carbono, representado por FeMnAC (6-7% de carbono), Ferro Manganês Médio
Carbono representado por FeMnMC (1-2% de carbono) e Ferro Manganês Baixo
Carbono representado por FeMnBC (0,1-0,5% de carbono). A liga de ferro silício
manganês (FeSiMn) apresenta teores que variam de 12 a 25% de silício. A produção
nacional do setor de ferroligas à base de manganês alcançou 687 mil t sendo que
deste total cerca de 350 mil t da liga de FeSiMn no ano de 2007 (SANTANA, 2008).
A escória é gerada no processo de fabricação das ligas a partir do material de
ganga associada a minérios bem como os fluxantes adicionados à carga. Os fluxantes
são adicionados para atuarem: auxiliando na fundição, na atividade dos óxidos na
escória, na temperatura de fusão da escória, na viscosidade e condutividade elétrica.
A geração de escória para a produção da liga FeSiMn por uma única empresa situada
no Brasil no ano de 2003 foi de 112 mil t (NÓBREGA et al, 2005). Entre as aplicações
para a escória, são citadas: base para a pavimentação de estradas, lastro para
ferrovia, produção de aços com baixo teor de manganês (DEMIDOV et al, 2000;
HOLAPPA et al, 2004), e na maioria das empresas produtoras a escória é descartada.
Estudos sobre a avaliação ambiental da escória de ferro-manganês que foi utilizada
como revestimentos de pavimentos na cidade de Salvador no estado da Bahia –
Brasil, concluíram que os resíduos não podem ser classificados como inerte
conforme a NBR 10004 (2004) (NÓBREGA, 2005).
Uma das propriedades mais importantes da escória, sob o ponto de vista
siderúrgico, é a sua fluidez, a qual depende da relação entre os teores de cal e sílica,
denominada índice de basicidade simplificado. A proporção de cal tem importância
especial para a remoção do enxofre, originária do carvão mineral. Em alto fornos a
carvão vegetal, esta circunstância tem importância secundária, já que este tipo de
combustível não contém quase nenhum enxofre. As escórias obtidas em fornos a
carvão vegetal apresentam então a sílica como componente predominante
12
e são classificadas como ácidas, enquanto as escórias obtidas em fornos a carvão
mineral são básicas. O resfriamento quando realizado com grandes quantidades de
água produz a escória granulada, a qual é parcialmente utilizada pela indústria
cimenteira, podendo ser empregada também como agregado miúdo ou como parte do
aglomerante. O resfriamento brusco, ao provocar a vitrificação do material, aumenta
sua pozolanicidade, o que justifica abordar mais especificamente esta característica.
As pozolanas mais utilizadas atualmente têm sido a microssílica, o carvão ativado e a
escória (COUTO et al, 2010).
As características físicas como densidade, porosidade e tamanho da partícula
dependem do tipo de resfriamento da escória e de sua composição química.
Outro fator importante é o poder aglomerante da escória, que depende da
relação entre a quantidade dos compostos SiO2, CaO e MgO presentes na
escória. Este poder aglomerante é definido como reatividade hidráulica.
Segundo Samet (2004) esta reatividade hidráulica depende da
composição química, fase vítrea do resíduo e da granulometria do grão da
escória. Este índice de hidraulicidade ou módulo de basicidade pode ser
calculado da seguinte forma (NKINAMUBANZI et al, 2000):
F1= CaO / SiO2 (2.1)
Se F1< 1, a escória é considerada ácida e sua hidraulicidade é baixa.
Se F1 > 1, a escória é considerada básica e sua hidraulicidade é boa.
2.3. EFEITO POZOLÂNICO
Segundo a ABNT NBR 12653 (2012), pozolanas são materiais silicosos ou
silicoaluminosos que, por si sós, possuem pouca ou nenhuma atividade aglomerante,
mas que, quando finamente divididos e na presença da água, reagem com o hidróxido
de cálcio para formar compostos com propriedades aglomerantes. Essas melhoras se
devem ao fato que durante o processo de hidratação do cimento, além de se formar
produtos cimentantes caracterizados como gel do tipo C-SH, também é liberado cerca
de 20% de hidróxido de cálcio que acabam por reagir com
13
a pozolana para formar novos produtos cimentantes, similares aos iniciais,
diferenciados apenas pela relação Si/Ca (TASHIMA et al., 2011), tendo como resultado
a produção de fases químicas com maior estabilidade e poder aglomerante (CARMO;
PORTELLA, 2008).
Porém para que a adição em questão apresente uma alta reatividade, é
necessário principalmente que o material tenha uma elevada finura, grandes
quantidades de SiO2 + Al2O3 em sua composição, e uma mineralogia amorfa.
Os compósitos cimentícios de alta resistência e alto desempenho estão
diretamente ligados à incorporação de material pozolânico. Conforme
afirmaram Mehta e Monteiro (2008), um fator importante é a redução do volume
total e o tamanho dos poros (importante para o aumento da resistência
mecânica do compósito de cimento Portland).
Além disso, segundo Valenzuela e Chodounsky (2010), a evolução das
adições minerais pozolânicas tornou possível produzir concretos cada vez
mais resistentes e duráveis, muito além do que se pensava ser possível há
anos. Neste sentido, podese considerar as pozolanas como ferramentas
capazes de viabilizar os concretos de alto desempenho, que são um
aprimoramento de concretos convencionais a partir da redução da porosidade
e das modificações microestruturais.
Reação pozolânica é o nome dado à reação química entre uma pozolana e o
hidróxido de cálcio (CH) para formar o silicato de cálcio hidratado (C-S-H), que é o
principal produto cimentante da hidratação do cimento Portland (MEHTA E
MONTEIRO, 2008). A reação de hidratação do cimento Portland forma o C-S-H,
porém a reação pozolânica não forma este material a partir da combinação entre a
água, os compostos do cimento e a pozolana e sim numa etapa posterior à reação
de hidratação. Isto é, a pozolana reage com o CH formado pelas reações de
hidratação, em presença de água numa etapa secundária à reação de hidratação,
por isto também é conhecida como reação secundária.
A importância técnica dos cimentos com adições pozolânicas deriva
principalmente de três aspectos:
1. A reação é lenta, e, portanto, a taxa de liberação de calor e de
desenvolvimento da resistência serão consequentemente lentas.
14
2. A reação consome hidróxido de cálcio, em vez de produzi-lo, o que
representa uma contribuição importante para a durabilidade da pasta
endurecida de cimento frente a meios ácidos.
3. Estudos sobre a distribuição do tamanho das pastas de cimento
hidratadas com adições mostram que os produtos da reação são bastante
eficientes no preenchimento dos espaços capilares grandes, melhorando
assim a resistência e reduzindo a permeabilidade do sistema.
A pozolanicidade das adições, ou seja, a capacidade de formar
compostos cimentantes desde que na presença de água e hidróxido de cálcio,
pode ser avaliada com algumas técnicas normatizadas pela ABNT, a partir de
métodos indiretos de quantificação do potencial reativo, como o índice de
atividade pozolânica (IAP) com cimento Portland (NBR 5752, 2012) ou cal
hidratada (NBR 5751, 2012), ou por método direto e acelerado, como o ensaio
Chapelle Modificado (NBR 15895, 2010), o qual determina a capacidade da
adição pozolânica em fixar cal.
Donatello et al. (2010) recomendaram que, para avaliar a atividade
pozolânica de um material, é importante a escolha do método a ser utilizado,
baseando-se nas limitações e nas condições de ensaio. Estes pesquisadores
também indicam que a avaliação seja realizada por mais de um método e a
comparação dos resultados de diferentes métodos deve contemplar uma
análise crítica a respeito da temperatura e do tempo de cura das amostras.
15
2.4. CIMENTO PORTLAND
2.4.1. Histórico
Os primeiros relatos sobre a história do cimento, ou Caementu no latim
(pedra proveniente de rochedos), se dão há cerca de 4500 A.C., no Egito Antigo.
Nessa época, utilizava-se uma liga composta por uma mistura de gesso calcinado
para unir as pedras que davam sustentação à construção dos monumentos.
Mas ao longo dos anos o cimento passou por um processo evolutivo, e
obras como o Panteão e o Coliseu receberam a aplicação de terras de origem
vulcânicas que, ao entrarem em contato com a água, sofriam um tipo de
reação que provocava o seu endurecimento. No entanto, os ensaios para o
aperfeiçoamento do cimento não pararam e, em 1756, o inglês John Smeaton
conseguiu desenvolver, por meio da calcinação de calcários moles e argilosos,
um produto com alto poder de resistência.
Em 1791, James Parker experimentou uma mistura de sedimentos de rochas da
ilha de Sheppel e patenteou, em 1796, um cimento com o nome de "Cimento
Romano". Experiência que motivou, em 1818, o francês Louis Vicat a inventar o
cimento artificial por meio da mistura de componentes argilosos e calcários.
Porém, foi o inglês Joseph Aspdin, em 1824, quem revolucionou as
experiências com o cimento. Aspdin teve a ideia de queimar pedras calcárias e
argila e depois triturá-las até obter um pó fino. Esse produto ao secar e em
contato com a água se tornava sólido com uma rocha e era resistente a ambientes
úmidos. Surgia então, o "Cimento Portland" que foi patenteado por Joseph
Aspdin, em homenagem às rochas da ilha britânica de Portland, as quais
apresentavam características próprias como cor, durabilidade e resistência.
Entretanto, foi Isaac Charles Johnson, em 1845, quem conseguiu
aperfeiçoar o Cimento Portland. Após várias observações, Johnson elevou a
temperatura da queima para 1400ºC e moeu o clínquer, produto originário
dessa queima, para obter um pó mais fino e com uma qualidade superior.
No decorrer dos anos, diversas indústrias cimenteiras começaram a surgir
e a desenvolver pesquisas sobre o processo de fabricação do Cimento Portland.
16
2.4.2. Características
O cimento Portland é um material pulverulento, constituído de silicatos e
aluminicatos complexos (clínquer), que, ao serem misturados com a água,
hidratam-se, formando uma massa gelatinosa, finamente cristalina, também
conhecida como “gel”. Esta massa, após contínuo processo de cristalização,
endurece, oferecendo então elevada resistência mecânica.
Ele pode ser definido também, como sendo um aglomerante ativo e hidráulico.
Aglomerante, pois é o material ligante que promove a união dos grãos
de agregados.
Ativo, por necessitar de um elemento externo para iniciar sua
reação. Hidráulico, porque este elemento externo é a água.
Concluímos então que a água tem um papel de destaque dentro da
engenharia do concreto, tão importante que a relação entre o peso da água e o peso
do cimento dentro de uma mistura recebeu um nome: fator água cimento (A/C).
Este fator é a base para a definição de todas as misturas compostas com
cimento e água (concreto, argamassa, grout, etc.) devendo ser muito bem
compreendido por todos aqueles que trabalham com o concreto. A água deve
ser empregada na quantidade estritamente necessária para envolver os grãos,
permitindo a hidratação e posterior cristalização do cimento.
O fator A/C deve ser sempre o mais baixo possível, dentro das
características exigida para o concreto e da qualidade dos materiais
disponíveis para a sua composição (www.portaldoconcreto.com.br, 2015).
Pode-se dizer que o cimento é composto de clínquer e adições que
reagem em contato com a água (hidratação).
2.4.3 Clínquer
O clínquer tem como matérias-primas constituintes o calcário e a argila,
obtidos de jazidas situadas na região das fábricas de cimento. Em seu processo
produtivo, a rocha calcária é primeiramente britada, moída e em seguida misturada,
em proporções adequadas, com argila moída. A mistura formada atravessa então um
forno giratório de grande diâmetro e comprimento, cuja temperatura interna
17
chega a alcançar 1450ºC. O intenso calor transforma a mistura em um novo material,
denominado clínquer, que se apresenta sob a forma de pelotas. Na saída do forno o
clínquer, ainda incandescente, é bruscamente resfriado para posteriormente ser
finamente moído, transformando-se em pó.
A principal característica do clínquer em pó é a capacidade de reagir
quimicamente em presença de água, tornando-se em um primeiro momento
pastoso e com o passar do tempo ele endurece, adquirindo elevada resistência
e durabilidade. Devido a essa peculiaridade, o clínquer pode ser definido como
um ligante hidráulico de elevada resistência.
2.4.4 Adições
As adições são outras matérias-primas que, misturadas ao clínquer na fase
de moagem, permitem a fabricação dos diversos tipos de cimento portland hoje
disponíveis no mercado. Essas outras matérias-primas são o gesso, as escórias
de alto-forno, os materiais pozolânicos e os materiais carbonáticos.
O gesso tem como função básica controlar o tempo de pega, isto é, o
início do endurecimento do clínquer moído quando este é misturado com
água. Caso não se adicionasse o gesso à moagem do clínquer, o cimento,
quando entrasse em contato com a água, endureceria quase que
instantaneamente, o que inviabilizaria seu uso nas obras. Por isso, o gesso é
uma adição presente em todos os tipos de cimento portland. A quantidade
adicionada é pequena: em geral, 3% de gesso para 97% de clínquer, em massa.
As escórias de alto-forno são obtidas durante a produção de ferro-gusa nas
indústrias siderúrgicas e se assemelham aos grãos de areia. Antigamente, as escórias
de alto-forno eram consideradas como um material sem maior utilidade, até ser
descoberto que elas também tinham a propriedade de ligante hidráulico muito
resistente, ou seja, que reagem em presença de água, desenvolvendo características
aglomerantes de forma muito semelhante à do clínquer. Essa descoberta tornou
possível adicionar a escória de alto-forno à moagem do clínquer com gesso,
guardadas certas proporções, e obter como resultado um tipo de cimento que, além
de atender plenamente aos usos mais comuns, apresenta
18
melhoria de algumas propriedades, como maior durabilidade e maior resistência final.
Os materiais pozolânicos são rochas vulcânicas ou matérias orgânicas
fossilizadas encontradas na natureza, certos tipos de argilas queimadas em elevadas
temperaturas (550°C a 900°C) e derivados da queima de carvão mineral nas usinas
termelétricas, entre outros. Da mesma forma que no caso da escória de alto-forno,
pesquisas levaram à descoberta de que os materiais pozolânicos, quando
pulverizados em partículas muito finas, também passam a apresentar a propriedade
de ligante hidráulico, se bem que de forma distinta. Isto porque não basta colocar os
materiais pozolânicos, sob forma de pó muito fino, em presença de água, para que
passem a desenvolver as reações químicas que os tornam primeiramente pastosos e
depois endurecidos. A reação só vai acontecer se, além da água, os materiais
pozolânicos moídos em grãos finíssimos também forem colocados em presença de
mais um outro material. O clínquer é justamente um desses materiais, pois no
processo de hidratação libera hidróxido de cálcio (cal) que reage com a pozolana.
Esse é o motivo pelo qual a adição de materiais pozolânicos ao clínquer
moído com gesso é perfeitamente viável, até um determinado limite. E, em
alguns casos, é até recomendável, pois o tipo de cimento assim obtido ainda
oferece a vantagem de conferir maior impermeabilidade, por exemplo, aos
concretos e às argamassas. Outros materiais pozolânicos têm sido estudados,
tais como as cinzas resultantes da queima de cascas de arroz e a sílica ativa,
um pó finíssimo que sai das chaminés das fundições de ferro-silício e que,
embora em caráter regional, já têm seu uso consagrado no Brasil, a exemplo
de outros países tecnologicamente mais avançados.
Os materiais carbonáticos são rochas moídas, que apresentam
carbonato de cálcio em sua constituição, tais como o próprio calcário. Tal
adição serve também para tornar os concretos e as argamassas mais
trabalháveis, porque os grãos ou partículas desses materiais moídos têm
dimensões adequadas para se alojar entre os grãos ou partículas dos demais
componentes do cimento, funcionando como um verdadeiro lubrificante.
Quando presentes no cimento são conhecidos como fíler calcário.
Conclui-se, pois que, de todas as adições, o gesso não pode, em hipótese
alguma, deixar de ser misturado ao cimento, e que as demais matérias-primas
19
adicionadas (escória de alto-forno, materiais pozolânicos e materiais carbonáticos)
são totalmente compatíveis com o principal componente do cimento portland – o
clínquer – acabando por conferir ao cimento pelo menos uma qualidade a mais.
2.4.5. Hidratação
A hidratação é fundamental para materiais cimentícios. É um processo no
qual um fluido em suspensão se transforma em um sólido rígido, a temperatura
ambiente, sem necessidade de transferência de calor ou qualquer outro tipo de
processo ou agente externo e com mínima variação do volume total.
Segundo Scrivener e Nonat (2011) por ser fundamental para a formação e o
desenvolvimento das propriedades de compostos cimentícios é extremamente
importante compreender os mecanismos adjacentes do processo de hidratação.
Mais especificamente, um maior conhecimento dos mecanismos de hidratação
pode, por exemplo, mostrar um caminho para a incorporação de uma maior
quantidade de materiais suplementares ou o desenvolvimento de novos clinquers.
O termo hidratação, por definição, indica a reação química de uma dada
espécie química com água convertendo-se em hidrato, pela introdução de
água em sua molécula. No âmbito restrito da química do cimento este termo
refere-se ao conjunto de mudanças que ocorrem quando o cimento anidro ou
uma de suas fases constituintes é misturado com água. O fenômeno é
complexo envolvendo reações químicas que superam a simples conversão de
espécies anidras em hidratos correspondentes (TAYLOR, 1997).
Assim, o desenvolvimento da resistência mecânica de uma pasta de cimento
ou seus compósitos decorre da hidratação do cimento, especificamente dos
silicatos tricálcico (C3S) e bicálcio (C2S), que constituem tipicamente cerca de
75% da composição do cimento Portland, sem adições minerais. Esta reação
resulta na formação de hidróxido de cálcio ou portlandita, Ca(OH)2, constituindo,
em geral, 20 a 25% do volume de sólidos da pasta de cimento hidratado e que
cristaliza no meio após saturação da água de mistura e início da formação dos
silicatos de cálcio hidratados (CSH) que liberam calor.
O CSH consolida-se como um sólido poroso, essencialmente amorfo ou pouco
cristalino, com características de um gel rígido. Em geral, possui estrutura lamelar
20
em forma acicular, mas pode não apresentar esta morfologia específica devido à
redução do espaço suficiente para a sua precipitação, quando há redução da relação
água/cimento. Na sua completa hidratação, a composição aproximada corresponde ao
C3S2H3, adotada em cálculos estequiométricos.
Dependendo da relação de CaO/SiO2 do cimento e outros fatores como
por exemplo, a temperatura, tempo de cura e aditivos, o CSH não é bem
definido podendo assumir variadas estequiometrias, A estrutura varia desde
formas semicristalinas a cristalinas (BLACK et al, 2003).
É importante entender que, ao adicionar água ao cimento, muda-se não só
a consistência, mas também ocorrem as hidratações dos compostos
presentes. Todas essas reações químicas que ocorrem após a adição de água
ao cimento são as mesmas, independentes da classificação do cimento
Portland, variando apenas a velocidade com que elas ocorrem. Essa
velocidade vai depender da quantidade de cada fase presente e do tamanho
das partículas de cimento (HIEBBELER et al, 2000).
O mecanismo de hidratação do cimento pode ser dividido didaticamente
em cinco etapas: estágio inicial (I), período de indução (II), período de
aceleração (III), período de desaceleração (IV); estágio final (V) ou período de
reação lenta. A termodinâmica das reações químicas permite visualizar esse
perfil a partir da determinação do calor de hidratação de uma pasta de cimento
Portland. A Figura 2.4 associa a taxa de liberação de calor de hidratação de
uma pasta de cimento Portland à variação da concentração de íons cálcio em
solução, com o tempo de hidratação (JAWED et al., 1983; ZAMPIERI, 1989).
21
Figura 2.4. Representação esquemática da liberação de calor (A) é a
concentração de Ca2+
em solução (B) durante a hidratação do cimento Portland.
Indicações das etapas de reação: (I) Estágio inicial; (II) Período de indução; (III)
Período de aceleração; (IV) Período de desaceleração; e (V) Estágio
final. Fonte: JAWED et al., 1983; ZAMPIERI, 1989.
Estágio inicial ou de pré-indução (I): o pico inicial é atribuído a uma
combinação exotérmica de molhagem das partículas, de reações iniciais de
dissolução de sulfatos alcalinos e liberação de íons K+, Na
+ e SO4
2-, dissolução do
sulfato de cálcio até a saturação, à liberação de íons Ca2+
e SO42-
. A hidratação
do sulfato de cálcio semi-hidratado (CaSO4.1/2H2O) para dihidratado
(CaSO4.2H2O) também contribui para a ocorrência do primeiro pico de liberação
de calor (JAWED et al., 1983; ZAMPIERI, 1989). Neste estágio inicia-se a
dissolução das fases anidras C3S, C3A e C4AF dando origem a uma camada de
gel de silicato de cálcio hidratado (C-S-H) que reveste a superfície dos grãos
anidros do clínquer. Os íons liberados com a dissolução do C3A e do C4AF
reagem com os íons Ca2+
e SO42-
dando origem a um gel amorfo, rico em
aluminato, sobre a superfície dos grãos do clínquer e de bastões ou pequenas e
espessas agulhas de etringita (Figura 2.5) (JAWED et al., 1983; ZAMPIERI, 1989).
22
Figura 2.5. Micrografia Eletrônica de Varredura da
Etringita Fonte: LIMA, 2007.
Período de indução (II): uma camada de gel se deposita sobre os grãos
anidros de cimento que forma uma espécie de barreira entre as fases anidras e a
solução aquosa. Este gel amorfo e coloidal é originado a partir da precipitação
inicial da etringita, e em menor escala, de C-S-H, sendo rico em sílica e alumínio e
com presença dos íons cálcio e sulfato (KADRI e DUVAL, 2002). Ocorre aumento
nas concentrações dos íons Ca2+
, K+, Na
+, SO4
2- e OH
- em solução. A
concentração de íons cálcio na fase aquosa atinge o seu patamar de saturação e
inicia-se o declínio (HEWLETT, 2006). Este período, que também é denominado de
dormência, tem duração aproximada entre 30 minutos e 3 horas, finalizando
quando a camada de gel depositada sobre os grãos de clínquer é destruída ou se
torna mais permeável à difusão iônica. Este período é caracterizado pela baixa
taxa de evolução de calor. Continuam a crescer as concentrações de íons Ca2+
e
OH-, mas de forma não linear. Verifica-se um elevado grau de supersaturação
quanto ao Ca(OH)2 até atingir o patamar, quando se inicia a precipitação. O tempo
necessário para atingir a supersaturação depende fortemente da relação a/c e do
tamanho do cristal de C3S (JAWED et al., 1983).
Período de aceleração (III): predomina o mecanismo de dissolução-precipitação,
com consequente supersaturação iônica da fase aquosa e rápida formação de C-S-H.
Os principais produtos formados são C-S-H e CH [Ca(OH)2]. Correspondem à reação
do estágio III, que resulta em um declínio gradual da concentração de íons Ca2+
na
solução. Este período finaliza com o aparecimento do segundo pico na curva (Figura
2.4) e sinaliza o início da desaceleração na geração
23
de calor do sistema. O fenômeno da pega se dá no decorrer do período de aceleração,
em que os silicatos, sobretudo a alita (C3S), passam a se hidratar rapidamente até
atingir a taxa máxima de hidratação ao final desse período, que corresponde ao
máximo de calor liberado. Ocorre também precipitação da etringita. A taxa de
hidratação neste período é controlada pela formação do C-S-H. Durante o período de
aceleração, a taxa e a extensão da hidratação são dependentes da área específica do
clínquer (MOSTAFA e BROWN, 2005).
Período de desaceleração (IV): tem início com diminuição gradual da taxa
da evolução do calor, dado à redução gradual na concentração de íons em
solução, em decorrência da precipitação de hidratos que recobrem as
partículas do cimento e dificultam a solubilização das fases anidras (KADRI e
DUVAL, 2002). Após o período aproximado de 24 horas tem-se continuidade
das reações lentas que dão origem também a C-S-H e CH. O mecanismo de
reação passa a ser controlado por difusão iônica ou por reação topoquímica.
Estágio final (V): um novo ombro sequencial que pode ocorrer, porém
menos distinto que o anterior, tem sido associado à hidratação da fase ferrita
ou a conversão da fase AFt para AFm (EMOTO, 2007). A formação de placas
hexagonais delgadas de monossulfoaluminato de cálcio (fase AFm), a partir de
reação do trissulfoaluminato de cálcio (fase AFt) com C3A e o C4AF, ocorre
por indisponibilidade de sulfato de cálcio no sistema
Fatores como temperatura, presença de álcalis, pressão, umidade relativa
do ar, superfície específica e relação água/cimento pode fazer com que uma
determinada fase interaja de forma distinta com a água, resultando em
produtos de hidratação com variações em sua resistência mecânica,
cristalinidade, permeabilidade, dentre outros.
2.4.6 Principais Tipos de Cimento Portland
Existem no Brasil vários tipos de cimento portland, diferentes entre si,
principalmente em função de sua composição. Os principais tipos oferecidos no
mercado, ou seja, os mais empregados nas diversas obras de construção civil são:
• cimento portland comum;
• cimento portland composto;
24
• cimento portland de alto-forno;
• cimento portland pozolânico.
Em menor escala são consumidos, seja pela menor oferta, seja pelas
características especiais de aplicação os seguintes tipos de cimento:
• cimento portland de alta resistência inicial;
• cimento portland resistente aos sulfatos;
• cimento portland branco;
• cimento portland de baixo calor de hidratação;
• cimento para poços petrolíferos.
Todos os tipos de cimento mencionados são regidos por normas da
ABNT, que dispõe de escritórios ou representações espalhadas pelo País, nos
quais poderão ser adquiridas essas normas.
2.4.7 Cimento Portland Comum
O primeiro cimento portland lançado no mercado brasileiro foi o conhecido CP,
correspondendo atualmente ao CP I, um tipo de cimento portland comum sem
quaisquer adições além do gesso (utilizado como retardador da pega). Ele acabou
sendo considerado na maioria das aplicações usuais como termo de referência para
comparação com as características e propriedades dos tipos de cimento
posteriormente aparecidos. Foi a partir do amplo domínio científico e tecnológico
sobre o cimento portland comum que se pôde desenvolver outros tipos de cimento,
com o objetivo inicial de atender a casos especiais. Com o tempo verificou-se que
alguns desses cimentos, inicialmente imaginados como especiais, tinham
desempenho equivalente ao do cimento portland comum original, atendendo
plenamente às necessidades da maioria das aplicações usuais e apresentando, em
muitos casos, inclusive, alguma vantagem adicional. O cimento tipo CP I é pouco
utilizado no país, apenas 1% de todo o cimento consumido no Brasil é do tipo CP I,
seja pela questão de custos, ou mesmo pela questão ambiental, por ser ele um tipo de
cimento que utiliza muito clínquer (www.cimento.org, 2015).
25
2.5. Materiais compósitos
Segundo Padilha (2007), os materiais são substâncias com propriedades
que tornam úteis na construção de máquinas, estruturas, dispositivos e produtos.
Para cada material específico tem-se um tipo de aplicação. As propriedades
específicas são resultantes de uma seleção e controle do processo de fabricação
dos materiais, usados para converter a matéria-prima no produto final. A
classificação de materiais é um processo que tem como objetivo agrupar todos os
materiais com características comuns. Os materiais sólidos são frequentemente
classificados em três grupos principais: materiais metálicos, materiais cerâmicos
e materiais poliméricos ou plásticos. Esta classificação é baseada na estrutura
atômica e nas ligações químicas predominantes em cada grupo. Um quarto grupo,
os materiais compósitos, tem sido incorporado nesta classificação nas últimas
décadas por diversos autores (PADILHA, 2007).
2.5.1. Definição
Um compósito é definido como sendo um material multifásico cujas
fases constituintes devem ser quimicamente diferentes e estar separadas por
uma interface distinta. No desenvolvimento de materiais compósitos, os
cientistas e os engenheiros combinam vários metais, cerâmicas e polímeros
com o objetivo de obter uma nova geração de materiais com melhorias em
suas propriedades mecânicas, tais como rigidez, tenacidade e resistência nas
condições ambientes e de altas temperaturas (CALLISTER, 2014).
Materiais compósitos são constituídos, por duas ou mais fases: uma
contínua, denominada matriz e as demais fases dispersas que é envolvida pela
matriz. Os compósitos possuem propriedades em função das propriedades de
suas fases constituintes, de suas quantidades relativas e da geometria da fase
dispersa, ou seja, a forma das partículas e o tamanho, a distribuição e a
orientação dessas partículas (CALLISTER, 2014).
26
2.5.2. Classificação
Os materiais compósitos são classificados de acordo com as
características de suas fases: tipo de matriz, tipo de reforço, geometria, orientação
das fibras, entre outros métodos. Na literatura a classificação geralmente é feita
referindo à natureza da fase matriz, classificando os compósitos em: metálico,
cerâmico e polimérico; e também à natureza da fase dispersa: compósitos
particulados, compósitos estruturais e compósitos híbridos. A figura 2.6
apresenta um fluxograma simples para a classificação dos materiais compósitos.
Figura 2.6. Classificação dos materiais compósitos
Fonte: Adaptado CALLISTER, 2014
2.5.2.1. Compósitos particulados
Segundo Callister (2014), os compósitos particulados possuem a fase dispersa
equiaxial (as dimensões das partículas são praticamente as mesmas em todas as
direções). Nessa classe existem duas subclassificações, conforme a Figura 2.4, os
compósitos com partículas grandes e os compósitos reforçados por dispersão. No
trabalho estudado, não consta compósitos reforçados por dispersão.
27
2.5.2.2. Compósitos com partículas grandes
Nos compósitos com partículas grandes as interações partículas-matriz não
são tratadas no nível atômico ou molecular, deve ser tratada com a mecânica do
contínuo. O termo grande é utilizado para indicar o tratamento das interações.
Nesse tipo de compósito, a fase particulada é mais dura e mais rígida do que a
matriz. Devido a essa diferença ocorre a restrição do movimento da fase matriz na
vizinhança de cada partícula. Neste caso, a matriz transferirá uma parte da tensão
aplicada às partículas, que suportem uma fração da carga (CALLISTER, 2014).
Os compósitos com partículas grandes são utilizados em todos os três
tipos de materiais (metais, polímeros e cerâmicos). Como exemplos de
compósitos particulados muito utilizados pela indústria de construção civil
temos o concreto e a argamassa.
2.6. Argamassa.
Argamassa é definida como sendo a mistura de aglomerantes e
agregados minerais com água possuindo capacidade de endurecimento e
aderência, eventualmente fazem parte de sua composição produtos especiais,
denominados aditivos. Sendo empregada em alvenarias, para assentamento de
pedras, tijolos, blocos onde favorecem a distribuição de esforços. Nos
acabamentos, em emboço, reboco, tetos e pisos. E nos reparos de obras de
concreto, com injeções utilizando aditivo expansor.
Segundo a norma ABNT NBR 13281 (2005), argamassa é uma mistura
homogênea de agregado(s) miúdo(s), aglomerante(s) inorgânico(s) e água, contendo
ou não aditivos, com propriedades de aderência e endurecimento, podendo ser
dosada em obra ou em instalação própria (argamassa industrializada).
2.6.1 Classificação das argamassas
As argamassas podem ser classificadas segundo diversos critérios. A ABNT
NBR 13281:2005 classifica as argamassas, de acordo com seu emprego. Mas
28
também pode ser classificada segundo o tipo de aglomerante ou de acordo
com a dosagem.
2.6.2. Classificação segundo emprego
Argamassa para assentamento em alvenaria de vedação: Argamassa
indicada para ligação de componentes de vedação (como blocos e
tijolos) no assentamento em alvenaria, com função de vedação.
Argamassa para assentamento em alvenaria estrutural: Argamassa
indicada para a ligação de componentes de vedação (como blocos e
tijolos) no assentamento em alvenaria, com função estrutural.
Argamassa para complementação da alvenaria (encunhamento):
Argamassa indicada para fechamento da alvenaria de vedação, após a
última fiada de componentes
Argamassa para revestimento interno: Argamassa indicada para
revestimento de ambientes internos da edificação, caracterizando-se
como camada de regularização (emboço ou camada única).
Argamassa para revestimento externo: Argamassa indicada para
revestimento de fachadas, muros e outros elementos da edificação em
contato com o meio externo, caracterizando-se como camada de
regularização (emboço ou camada única).
Argamassa de uso geral: Argamassa indicada para assentamento de
alvenaria sem função estrutural e revestimento de paredes e tetos
internos e externos.
Argamassa para reboco: Argamassa indicada para cobrimento de
emboço, propiciando uma superfície fina que permita receber o
acabamento; também denominada massa fina.
Argamassa decorativa em camada fina: Argamassa de acabamento
indicada para revestimentos com fins decorativos, em camada fina.
Argamassa decorativa em monocamada: Argamassa de acabamento indicada
para revestimento de fachadas, muros e outros elementos de edificação em
29
contato com o meio externo, aplicada em camada única e com fins decorativos.
2.6.3. Classificação segundo o Tipo de aglomerante.
Argamassas aéreas: Cal aérea, gesso e etc.
Argamassas hidráulicas: Cal hidráulica e cimento;
Argamassas mistas: Argamassa com um aglomerante aéreo e um hidráulico
2.6.3.1 Argamassas de cal
Podem ser usadas no traço 1:3 ou 1:4 de cal e areia para assentar tijolos e
no primeiro revestimento de paredes (emboço), devendo nestes casos a areia ser
média. Para o revestimento fino (reboco) usa-se o traço 1:1, sobre o emboço.
Neste caso a areia deve ser fina e peneirada, assim como a cal. Para melhorar a
impermeabilidade e a resistência destas, pode-se acrescentar 50 a 100 kg de
cimento por m³ de argamassa. Argamassas de cal podem ser preparadas em
grandes quantidades, utilizando-se durante toda obra (pega lenta).
2.6.3.2. Argamassas de gesso
Obtém-se adicionando água ao gesso, aceitando-se também pequena
percentagem de areia. A principal utilização é em interiores, na confecção de
ornamentos ou estuque. Assim seu uso em construção rural é muito reduzido.
2.6.3.3. Argamassas de cimento
Podem ser usadas em estado de pasta (cimento e água) para vedações
ou acabamentos de revestimentos, ou com adição de areia. A adição de areia
torna-as mais econômicas e trabalháveis, retardando a pega e reduzindo à
retração. Devido à pega rápida do cimento (em torno de 30 minutos) as
argamassas com esse aglomerante devem ser feitas em pequenas
quantidades, devendo ser consumidas neste período.
30
2.6.4. Classificação segundo a dosagem
Pobres ou magras: Quando o volume de aglomerante é insuficiente para
encher os vazios do agregado.
Cheios: Quando os vazios do agregado são preenchidos exatamente
pela pasta
Ricas ou gordas: Quando houver excesso de pasta.
2.6.5. Requisitos
A norma ABNT NBR 13281:2005 apresenta os requisitos que as
argamassas destinadas ao assentamento de paredes ou ao revestimento de
paredes e tetos devem cumprir, sendo classificadas de acordo com as
características e propriedades que apresentam.
2.7. Concreto
Concreto é constituído por uma mistura proporcional de cimento, água,
pedra e areia, sendo que o cimento ao ser hidratado pela água, forma uma
pasta resistente e aderente aos fragmentos de agregados (pedra e areia),
formando um bloco monolítico (www.portaldoconcreto.com.br, 2015).
O concreto possui como vantagens o baixo custo relativo, a
disponibilidade de seus materiais componentes em quase todos os lugares,
versatilidade e adaptabilidade, sua durabilidade e sua possibilidade de
incorporar com vantagens rejeitos industriais poluentes.
A dosagem ou traço é a proporção entre todos os materiais que constituem
o concreto. Cada material a ser utilizado na dosagem deve ser analisado
previamente em laboratório, a fim de verificar a qualidade e para se obter os dados
necessários à elaboração do traço (massa específica, granulometria, etc).
A porosidade do concreto tem influência na permeabilidade e na
resistência das estruturas, por isso o concreto deve ter uma boa distribuição
granulométrica a fim de preencher todos os vazios (OLIVEIRA, 2013).
31
As propriedades do concreto e sua importância para os engenheiros se
dividem em duas fases da sua vida; fase de mistura, lançamento, compactação e
acabamento e a fase do concreto em endurecimento, endurecido e em serviço.
Trabalhabilidade, plasticidade, retração autógena, tempo de pega inicial e tempo
de pega final são alguns exemplos das propriedades do concreto na primeira fase.
Resistência do concreto à compressão e à tração, resistência ao desgaste
superficial, resistência ao impacto, módulo de elasticidade, porosidade, fluência e
retração são alguns exemplos de propriedades do concreto na segunda fase
(www.portaldoconcreto.com.br, 2015).
32
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1. Procedimentos Experimentais
A seguir são descritos os procedimentos experimentais utilizados no
desenvolvimento deste trabalho, que consistiu na amostragem e caracterização da
escória, confecção dos corpos de prova e caracterização mecânicas destes. A
metodologia experimental está baseada na abordagem estatística de planejamento e
análise experimental (MONTGOMERY, 1997), com a utilização de um planejamento
fatorial. As etapas deste procedimento serão detalhadas nos itens seguintes.
3.2. Planejamento de Experimentos.
Para investigar propriedades que dependem do resultado da interação
de vários fatores, utilizam-se métodos de planejamento de experimentos, que
permite avaliar quantitativamente a influência de variáveis sobre as respostas
de interesse e sobre suas possíveis interações.
3.2.1. Seleção das variáveis de respostas
As variáveis de respostas escolhidas a serem analisadas neste trabalho
são: densidade aparente, densidade volumétrica, porosidade, absorção de
água, resistência mecânica à compressão, módulo de elasticidade, seguindo
as normas de cada tipo de ensaio.
3.2.2. Seleção dos fatores e níveis experimentais
Neste experimento, a matriz do compósito foi o Cimento Portland
Comum e a fase dispersa, partículas de escória geradas na produção das ligas
FeSiMn nas faixas granulométricas (800 – 0,075 mm; 4,75 – 800) e foi utilizada
areia fina para construção civil.
Os fatores e níveis foram selecionados com base nos estudos de artigos
discutidos na revisão bibliográfica e nos objetivos do projeto. Este trabalho pretende
33
identificar quais fatores/níveis apresentam efeito significativo sobre as variáveis-
respostas selecionadas, verificando a possível utilização dos compósitos
desenvolvidos em setores industriais.
Dentre os fatores de maior relevância e possíveis de serem controlados,
escolheram-se dois, entre eles: fração volumétrica de escória, faixa
volumétrica das partículas de escória. Os fatores mantidos constantes no
experimento foram: tempo de mistura (~15min), temperatura ambiente de
fabricação, tempo de cura (28 dias) e teor água/cimento (0,5).
A fração volumétrica de escória na matriz cimentícia foi investigada em três
níveis: 20, 40 e 60% em volume em substituição de agregado de areias usadas.
A tabela 3.1 exibe os fatores e os níveis experimentais investigados
neste experimento.
Tabela 3.1. Níveis e fatores do experimento
Fonte: Autor
Fatores de experimento Níveis
Fração mássica de escória 1. 20%
(% da massa de areia) 2. 40%
3. 60%
Faixa granulométrica 1. 20-200
(US-Tyler) 2. 4-20
O planejamento fatorial completo foi adotado, ou seja, o experimento foi
realizado em todas as possíveis combinações dos níveis dos fatores. O
planejamento fatorial gerado a partir dos níveis e fatores apresentados na
tabela 3.2 2¹ 3¹ que fornece um resultado matemático de 6, representando o
número total de combinações distintas a serem realizadas neste experimento.
34
Tabela 3.2. Planejamento fatorial completo
Planejamento Fatorial
Condições Fatores
Fração mássica da escória Faixa granulométrica da escória Experimentais
(%) (US-Tyler)
C1
20
20-200
C2 4-20
C3
40
20-200
C4 4-20
C5
60
20-200
C6 4-20
Foi adotado o método de aleatorização na preparação dos corpos de
prova, assim como na etapa de realização dos ensaios, permitindo uma
ordenação arbitrária das condições experimentais, evitando que efeitos de
fatores não controlados possam afetar a variável-resposta.
3.3. Caracterização da escória
Os resíduos para estudo foram fornecidos pela empresa Granha Ligas
S.A em sua forma bruta necessitando passar por um processo de redução
granulométrica para obter partículas para serem utilizadas como agregados na
fabricação dos compósitos.
O material obtido foi separado em lotes e utilizado para: arquivo do projeto,
granulometria, determinação da densidade e confecção dos corpos de prova.
3.3.1 Caracterização granulométrica
Para a fabricação de compósitos, a granulometria é um parâmetro
fundamental, pois diversos fatores dependem do tamanho do material a ser
trabalho, no caso do concreto, por exemplo, existe a exigência citada em
norma para granulometria específica do material utilizado como agregado
miúdo e agregado graúdo. A argamassa também possui a faixa granulométrica
defina em norma para o agregado miúdo.
35
A primeira etapa para classificar o material obtido foi a redução da
granulometria com a utilização de um moinho de mandíbula do Laboratório-
Escola de Cerâmica (LEC) da UFSJ.
Após esta etapa, o primeiro critério utilizado para a classificação dos
tamanhos das matérias-primas foi a retenção/passagem em uma série de
peneiras com aberturas de: 0,075 mm (200 US Tyler), 0,800 mm (20 US Tyler) e
4,75 mm (4 US Tyler) da empresa Bertel Indústria Metalúrgica LTDA.
Segundo a norma ABNT NM 248 (2003), após a separação da amostra em
lotes, as massas de cada lote devem ser medidas através da balança digital.
A série de peneiras deve ser encaixada formando um único conjunto
com abertura de malha em ordem crescente da base para o topo.
O primeiro lote é colocado sobre a peneira superior do conjunto,
evitando a formação de uma camada espessa de material sobre qualquer uma
das peneiras, pois o acúmulo de material sobre uma peneira impede o igual
acesso de todos os grãos à tela, durante sua agitação, como também pode
provocar a deformação permanente da tela. A tabela 3.3 indica a quantidade
máxima de material sobre as telas das peneiras.
Tabela 3.3. Máxima quantidade de material sobre as telas
das peneiras. Fonte: (ABNT NM 248, 2003) Máxima quantidade de material sobre a tela kg 3,6
2,7
1,8
1,4
0,89
0,67
0,33
0,20
Abertura de malha mm
50
37,5
25
19
12,5
9,5
4,75
< 4,75
36
A série de peneiras foi levada ao agitador de peneiras por 10 e 15 minutos
e as frações retidas nas peneiras deve ser medida através de uma balança
digital para avaliar a influência no tempo de agitação na acomodação dos
grãos nas peneiras. Caso haja pouca diferença, o menor tempo será utilizado
como padrão no restante do ensaio.
Após a agitação mecânica, a peneira superior é destacada e agitada
manualmente (com tampa e fundo falso encaixados) até que após um minuto
de agitação contínuo a massa de material passante seja inferior a 1% da massa
do material retido. A agitação deve ser feita em movimentos laterais e
circulares alternados, tanto no plano horizontal quanto inclinado.
Ainda de acordo com a norma ABNT NM 248 (2003) o material retido na
peneira deve ser removido para uma bandeja identificada. Escovar a tela em
ambos os lados para limpar a peneira. O material removido pelo lado interno é
considerado retido (juntar na bandeja) e o desprendido na parte inferior como
passante. O procedimento deve ser repetido para todas as peneiras do conjunto.
A massa total do material retido em cada uma das peneiras e no fundo
do conjunto é medida e o seu somatório não deve diferir mais de 0,3% da
massa inicial do lote.
Para a realização dos cálculos e apresentação dos resultados a norma
ABNT NM 248 (2003) indica o cálculo da porcentagem retida (em massa) em cada
peneira com aproximação de 0,1%, para todos os lotes. As amostras devem
apresentar necessariamente a mesma dimensão máxima característica e, nas
demais peneiras, os valores de porcentagem retida individualmente não devem
diferir mais que 4% entre si. Caso isto ocorra, o peneiramento deverá ser repetido.
Realizar os cálculos das porcentagens médias, retida e acumulada, em cada
peneira, com aproximação de 1% e também determinar o módulo de finura (soma
das porcentagens retidas acumuladas em massa de um agregado, nas peneiras da
série normal, dividida por 100) com aproximação de 0,01.
37
3.3.2. Caracterização química e mineralógica
A composição química percentual da escória fornecida pela Granha
Ligas S.A é apresentada na tabela 3.4.
Tabela 3.4 – Composição química percentual da escória. Dados
fornecidos pela Granha Ligas S.A
Porcentagem em peso
Óxidos (%)
SiO2 26
Al2O3 10
CaO 27,8
MgO 11
FeO 0,20
MnO 23
3.3.3. Massa específica da escória
A medição da massa específica da escória foi realizada baseando-se no
método de Chapman, porém foi utilizada uma proveta graduada e aferida no
lugar do tubo de Chapman.
Segundo a norma ABNT NBR 9776 (1987), a amostra de escória moída foi
levada à estufa para secagem (105 ºC – 110 ºC) até constância de massa. Para
realização do experimento colocou-se água na proveta até a graduação de 200
ml, em seguida foi introduzida, cuidadosamente, 500 g de agregado miúdo
seco no frasco e sendo devidamente agitada para eliminação de bolhas de ar.
O nível atingido pela água na proveta indica o volume em ml, ocupado pelo
conjunto água-escória. A figura 3.2 representa o procedimento realizado.
38
Figura 3.2 – Dispositivo para definição da massa específica. A
massa específica do agregado é calculada mediante a expressão:
(3.1) Onde:
L =leitura do frasco (volume ocupado pelo conjunto água-agregado miúdo).
3.4. Confecção dos corpos de prova
Para a fabricação dos corpos de prova foram utilizados moldes
cilíndricos de PVC com dimensões 50 mm de diâmetro e 120 mm de altura,
garantindo a condição básica especificada na norma ABNT NBR 5738 (2008) de
altura igual a duas vezes o diâmetro, mostrados na figura 3.3
Figura 3.3. Moldes de PVC com 50 mm de diâmetro e 120 mm de altura
39
Os moldes cilíndricos foram fixados na base de madeira com silicone
para garantir a vedação impedindo vazamento de água.
As fases foram misturadas em uma mini betoneira representado na figura 3.4.
Figura 3.4 – Mini betoneira fazendo a mistura das fases.
Após a mistura, o material foi vazado nos moldes. Para verter o material no
molde, primeiramente foram colocadas camadas até a metade do molde e o
material adensando para se acomodar no molde, após o adensamento o restante
do molde foi preenchido até a borda e o material foi adensado e nível na parte
superior. Após o preenchimento dos moldes, o conjunto foi levado a um agitador
de peneiras para que o ar fosse removido de dentro do corpo de prova, evitando a
formação de grandes poros. O objetivo desta etapa é permitir que as bolhas de ar
surjam na superfície dos corpos moldados. Finalmente os corpos de prova foram
ensacados, conforme figura 3.5 e foram para sala de cura durante 28 dias.
40
Figura 3.5 – Procedimento para retirar o ar do interior dos corpos de prova.
Após a cura de 28 dias, os corpos foram retirados dos moldes de PVC, o
aspecto do corpo de prova após a retirada do molde pode ser observado na
figura 3.6. Pode-se observar retração no material após o período de cura.
Figura 3.6 – Corpos de prova curados
Para garantir o paralelismo das faces dos corpos fabricados foi utilizado
a retífica, processo observado na figura 3.7.
41
Figura 3.7– Retífica utilizada para garantir a planicidade da extremidade dos
corpos de prova
Para cada condição foram fabricados 14 corpos de prova, 6 utilizados na
ensaio de resistência a compressão e 6 para o ensaio de absorção de água. Os
outros dois corpos restantes foram utilizados em pré-teste.
3.5. Caracterização dos corpos de prova
Após o tempo de cura, os corpos foram medidos e pesados novamente
em balança com precisão de 0,1 g, separados para diferentes finalidades e
ensaiados para determinação da resistência à compressão, densidade
aparente, porosidade e absorção de água.
3.5.1. Método de Arquimedes
Os ensaios de densidade aparente, porosidade e absorção de água foram
realizados segundo o método de Arquimedes que apresenta as seguintes fórmulas:
42
Para a realização do método de Arquimedes foram selecionados 6 corpos de
cada condição, e estes foram cortados ao meio para que na vasilha pudesse caber a
maior quantidade possível no momento de deixar os corpos submersos, figura 3.8.
Figura 3.8 – Corpos imersoso em água para realização do ensaio de
absorção de água.
43
Neste procedimento os corpos foram colocados na estufa por 24 horas
para que resquícios de água fossem eliminados. Passadas as horas
necessárias os corpos foram pesados para a definição da massa do compósito
seco (M1), figura 3.9 (a), e foram colocados em um recipiente com água ligado
a uma bomba de vácuo, para eliminar o ar presente no interior dos corpos e
garantir maior precisão nos valores desejados.
Passadas 24 horas os corpos foram removidos da vasilha e um por um
foram pesados, com o auxílio de um suporte ligado a um gancho situado na
extremidade inferior da balança e uma bacia com água, submersos para
obtenção da massa do corpo de prova imerso em água (M3), figura 3.9 (c).
A massa do corpo de prova úmido (M2) foi obtida após a medição do
corpo imerso. O corpo foi retirado da bacia e secado superficialmente com
papel toalha e colocado na balança imediatamente, figura 3.9 (b).
Figura 3.9. a) Massa do compósito seco (M1); b) massa do compósito
úmido (M2); c) massa do compósito imerso (M3).
3.5.2. Resistência à compressão
Após o período de 28 dias de cura os testes de resistência de compressão
através da ruptura dos corpos de prova deve ser realizado. De acordo com a
norma ABNT NBR 13279 (2005) o corpo de prova deve ser posicionado no
dispositivo de apoio do equipamento de modo que a face rasada não fique em
contato com o dispositivo de apoio nem com o dispositivo de carga.
44
A norma ABNT NBR 13279 (2005) estipula também que o ensaio deve seguir a
seguinte carga a ser aplicada e a equação de cálculo da resistência à compressão:
Aplicar carga de (500 + 50) N/s até a ruptura do corpo de prova.
A resistência à compressão é calculada segundo a equação:
Rc = F
c (3.5) A
onde:
Rc , é a resistência à compressão, em megapascals (MPa);
Fc , é a carga máxima aplicada, em newtons
(N); A, é a área da seção( m²)
A norma ABNT NBR 13279 (2005) estabelece também que o dispositivo de
carga deve ser capaz de aplicar uma carga de 500 N/s. Deve ser provido de um
dispositivo indicador construído de forma que o valor indicado no momento da
ruptura da argamassa permaneça indicado depois da máquina de ensaio ter sido
descarregada. O prato superior do dispositivo deve ser capaz de se alinhar
livremente no momento do contato com a argamassa e, durante a aplicação da
carga, a posição relativa dos pratos inferior e superior deve permanecer
inalterada. Os pratos devem ser de aço, ter (40,0 + 0,1) mm de comprimento, (40 +
0,1) mm de lado e no mínimo 10 mm de espessura. A tolerância de planicidade
sobre toda a superfície de contato com a argamassa deve ser de 0,01 mm.
De acordo com a norma ABNT NBR 13281 (2005) as argamassas
destinadas ao assentamento de paredes ou ao revestimento de paredes e tetos
devem cumprir alguns requisitos, sendo classificadas conforme o valor obtido
para a resistência à compressão de acordo com a tabela 3.5.
45
Tabela 3.5. Resistência à compressão da argamassa
Fonte:(ABNT NBR 13281:2005)
Classe Resistência à compressão (MPa)
P1 < 1,5
P2 1,5 a 3,0
P3 2,5 a 4,5
P4 4,0 a 6,5
P5 5,5 a 9,0
P6 > 8,0
O equipamento utilizado para realização do ensaio está representado na
figura 4.0 apresenta o ensaio realizado.
Figura 4.0 – Equipamento utilizado para realização do ensaio de compressão
46
4. Resultados e Discussões
Neste capítulo serão apresentados resultados obtidos através do
método experimental anteriormente descrito, em uma primeira etapa serão
apresentados os resultados obtidos referentes a análise da escória. Na
segunda etapa serão apresentados os gráficos referentes aos resultados
obtidos nos ensaios mecânicos para comparar as principais características de
uma argamassa produzida com materiais convencionais com uma argamassa
produzida utilizando compósito com escória.
4.1 Caracterização da escória
a) Análise da massa específica da escória.
O ensaio realizado segundo o método de Chapman para determinação
da massa específica da escória apresentou como resultado: 2860 kg/m³.
De acordo com a especificação para agregados, a escória pode ser
considerado um agregado com massa específica normal, pois se encontra
entre 2000 kg/m³ e 3000 kg/m³.
b) Índice de basicidade
O índice de basicidade da escória calculado pela equação 2.1, aponta um
valor de 1,07, sendo considerada ácida com baixa hidraulicidade.
c) Análise morfológica da escória
A análise do grau de esfericidade a arredondamento da escória foi realizada
através de imagens e posteriormente comparados com as figuras 2.2 e 2.3.
Fazendo-se a avaliação da escória obtida e comparando-as com a classificação
apresentada nas figuras 2.2 e 2.3, conclui-se que as partículas de escória são
angulosas, alguns casos subangulosas com baixo grau de esfericidade As
observações realizadas foram qualitativas, tornando-se possível observar através
47
das fotos que a escória possui uma superfície relativamente lisa, podendo ser
observado na figura 4.1.
Figura 4.1. Corpo de prova após a ruptura com a visualização das escórias.
4.2. Análise estatística
A tabelas com os valores obtidos para densidade aparente, absorção de
água, porosidade e resistência a compressão estão no Anexo 1 do trabalho. A
figura 4.2 traz o gráfico dos valores médios obtidos para densidade aparente
com desvio padrão. Na figura 4.3 são apresentados os valores médios para
absorção de água com desvio padrão. Os resultados de porosidade são
apresentados na figura 4.4, enquanto que a resistência a compressão dos
corpos de prova está representada na figura 4.5.
48
Figura 4.2. Densidade aparente dos compósitos cimentícios
Figura 4.3. Absorção de água dos compósitos cimentícios
49
Figura 4.4. Porosidade dos compósitos cimentícios
Figura 4.5. Resistência a compressão dos compósitos cimentícios
4.3. Densidade Aparente
De acordo com a figura 4.1 os valores médios obtidos para densidade aparente
do compósito fabricado com faixa granulométrica de 4 – 20 US Tyler ficaram entre
2,00 a 2,22 g/cm³. A maior incorporação de escória na composição do corpo de prova
teve como consequência o aumento da densidade aparente, devido
50
ao fato da escória possuir uma massa específica superior à massa específica da areia
utilizada.
Nos corpos de prova fabricados com granulometria da escória na faixa de 20
– 200 US Tyler o valor médio da densidade aparente variou de 1,88 a 2,14
g/cm³, ocorrendo o mesmo efeito que na faixa de 4 – 20 US Tyler por conta da
massa específica do agregado.
O valor médio da densidade aparente obtido dos corpos de prova
fabricados na condição de referência foi de 1,83 g/cm³.
A comparação apresentada na figura 4.1 mostra que a densidade
aparente aumentou de acordo com a granulometria da escória.
Figura 4.6. Gráfico efeito da interação faixa granulométrica de escória e fração
de quantidade de escória sobre a média da densidade aparente.
4.4 Absorção de água
A absorção por imersão é uma característica importante da argamassa,
principalmente quando a argamassa for usada em revestimento para piscinas,
caixas d´água, diques e outras aplicações onde o contato com a água é
constante. Absorção de água por imersão é a medida do percentual de água
absorvido até a saturação quando o corpo de prova fica imerso em água.
Os valores médios obtidos para absorção de água nos corpos de prova
fabricados na faixa de 4 -20 US Tyler apresentaram uma variação entre 5,61 e 8,43
51
%. Neste caso os corpos de prova com maior quantidade de escória apresentaram
menor absorção de água, devido à redução na porosidade do compósito fabricado.
A figura 4.2 apresenta os valores médios obtidos para absorção de água dos
corpos de prova fabricados na faixa de 20 – 200 US Tyler. Percebe-se a variação entre
8,31 e 11,10%. De maneira similar aos resultados obtidos para a faixa de 4 – 20 US
Tyler a absorção de água caiu com o aumento da quantidade de escória.
Os corpos de prova da condição de referência apresentaram valor médio
de absorção de água de 9,64%.
Na comparação entre as duas faixas granulométricas e a condição de
referência é possível perceber que quanto maior a granulometria da escória
menor será a absorção de água.
Figura 4.7. Gráfico efeito da interação faixa granulométrica de escória e fração
de quantidade de escória sobre a média da absorção de água
4.5 Porosidade
Conforme dito anteriormente para a análise da absorção de água, os corpos
de prova fabricados com maior quantidade de escória apresentaram menor
porosidade e como consequência menor absorção de água. De acordo com a
figura 4.3 valores médios obtidos variaram entre 12,42 a 16,79% de porosidade.
A figura 4.3 mostra que o valor médio obtido para porosidade nos corpos de
prova fabricados na faixa de 20 – 200 US Tyler ficou entre 16,30 e 20,79%. Neste
caso o acréscimo de escória também acarretou em uma redução nos poros.
52
Para a condição de referência o valor médio obtido para a porosidade foi
de 17,99%.
É possível avaliar que o aumento na granulometria da escória
adicionada acarretou em uma redução na porosidade do compósito,
reduzindo também a absorção de água.
Figura 4.8. Gráfico efeito da interação faixa granulométrica de escória e
fração de quantidade de escória sobre a média da porosidade
4.6. Resistência a compressão
O ensaio para determinar a resistência à compressão foi realizado em
corpos de prova 50 x 100 mm conforme a NBR 13279 (ABNT, 2005).
Os valores obtidos para resistência a compressão dos compósitos
fabricados na faixa de 4 – 20 US Tyler obtiveram uma média de 19,5 a 24,0 MPa.
Quanto maior a fração percentual em massa de escória, em adição a areia,
maior foi o valor médio da resistência a compressão.
Os valores médios obtidos de resistência a compressão para a faixa de 20 –
200 US Tyler. Os valores médios variaram de 16,3 a 21,1 MPa, apresentando
também ganho de resistência de acordo com o aumento da quantidade de escória.
53
Os corpos de prova de referência (areia + cimento) apresentaram um valor
médio de resistência a compressão de 16,5 MPa, conforme mostrado na figura 4.4.
De acordo com os valores obtidos pode-se perceber o aumento da
resistência com o aumento percentual da escória, fato este que pode ser
explicado devido ao efeito pozolânico devido à presença de silicatos e
aluminicatos na composição da escória, que em contato com a água adquire
um endurecimento, aumento a resistência do compósito a medida que a
quantidade dessa substância for aumentada na fabricação.
Ao analisar a figura 4.4 é possível perceber que a granulometria da escória
também exerceu influência sobre a resistência a compressão do compósito. Os
corpos de prova fabricados na faixa de 4 – 20 US Tyler obtiveram um melhor
desempenho comparados com os corpos de prova fabricados na faixa de 20 – 200
US Tyler e os corpos de prova de referência. Tanto a faixa de 4 – 20 US Tyler e 20 –
200 US Tyler apresentaram ganho devido a reação pozolânica, porém as partículas
maiores de escória dificultaram a propagação das trincas, obrigando-as a
percorrer um caminho maior durante a compressão, e como consequência dessa
obstrução ocorreu o aumento da resistência mecânica.
Pela tabela 3.5 pode-se considerar uma argamassa do tipo P6;
Figura 4.9. Gráfico efeito da interação faixa granulométrica de escória e fração
de quantidade de escória sobre a média da resistência a compressão.
54
4.7. Análise de variância
Pelo método de análise de variância (ANOVA) é possível avaliar se o
aumento ou redução de uma propriedade obteve valores significativos, dentro
da margem de 5% de significância.
As tabelas e o método de cálculo serão apresentados no Anexo A deste
trabalho.
Para as propriedades avaliadas foi possível perceber que houve uma
significância no aumento da fração de escória de 20% para 40% e no aumento
da granulometria da escória presente nos corpos de prova.
Quando se aumentou a fração percentual de 40% para 60%, dentro da
margem de significância de 5%, não houve um aumento representativo de
acordo com o método de análise de variância.
Os valores apresentados nas tabelas acima foram utilizados na
realização da análise de variância do experimento, com objetivo de identificar
se as variações foram significativas, com uma confiabilidade de 95% no teste.
A tabela 4.5 apresenta os resultados obtidos na análise de variância
mostrando quais fatores foram significativos para cada propriedade analisada.
Na análise de variância é utilizado como parâmetro para comparação de
avaliação dos resultados o test f, de acordo com a seguinte condição:
Se f calc > f tab → SIM (resultado possui significância)
Se f calc < f tab → NÃO (resultado não possui significância) Tabela
4.1. Análise de variância e significância dos resultados
Fator Densidade Absorção Porosidade Resistência aparente de água aparente a compressão
Fração escória SIM SIM SIM SIM
Faixa granulométrica SIM SIM SIM SIM
Nível
20 % - 40% SIM SIM SIM SIM
40% - 60% NÃO NÃO NÃO NÃO
20 – 200 US Tyler SIM SIM SIM SIM
4 – 20 US Tyler
55
De acordo com as informações apresentadas na tabela 4.5 percebe-se
que a variação da quantidade de escória e do tamanho das partículas da
escória possuem uma influência nos resultados das propriedades avaliadas.
Porém quando houve o aumento na quantidade de escória ocorreu de 40%
para 60%, a análise de variância mostrou que apesar do valor da propriedade ter
apresentado um aumento, esse aumento não pode ser considerado significativo
dentro da margem de 95% de aceitação do experimento. Quando a análise é feita
no aumento do tamanho das partículas da faixa de 20 – 200 US Tyler para 4 – 20
US Tyler pode-se concluir que os resultados são significantes e portanto houve
um aumento considerável nas propriedades do compósito.
56
5. CONCLUSÃO
O processo de fabricação dos compósitos desenvolvidos mostrou ser
simples, sendo os materiais obtidos da mistura direta entre as fases.
As principais conclusões obtidas foram:
i. A incorporação progressiva da quantidade de escória, como também na
granulométrica da escória, conferiu aumentos na densidade aparente, devido
à massa específica da escória ser maior que a massa específica da areia.
ii. As propriedades porosidade aparente e absorção de água apresentaram
comportamentos semelhantes. Os menores resultados foram obtidos na faixa
granulométrica de 4 – 20 US Tyler e 60% de adição de escória. Os resultados
mostram que o aumento da quantidade de escória e do tamanho da partícula
reduz os poros do compósito aumentando a sua impermeabilidade.
iii. Quanto à resistência a compressão, observou-se um aumento em relação a
argamassa sem substituição. Essa propriedade é bastante afetada pela
fração e pela granulometria da escória. A medida que aumenta a quantidade
de escória o compósito sofre um ganho de resistência a compressão, isso
acontece devido às reações pozolânicas da escória. O efeito pozolânico
ocorre devido a presença de silicatos e aluminicatos no material, que ao
entrar em contato com água sofre reações que ocasionam em um
endurecimento do material. O aumento do tamanho das partículas de
escória, com resistência e dureza maior que a matriz (Cimento), faz com que
as trincas percorram um caminho maior no momento da compressão, por
este motivo a resistência a compressão do compósito aumenta a medida
que a granulometria da escória aumenta. iv. A condição de 60% de adição de escória na faixa de 4 – 20 US Tyler
apresentou baixa porosidade, baixa absorção de água e elevada
resistência a compressão, podendo ser considerada a melhor condição
observada no experimento.
Em geral conclui-se que é possível o reuso das partículas de escória em
compósitos cimentícios para aplicações não-estruturais, em se tratando
das propriedades mecânicas encontradass.
57
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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65
ANEXO A – Tabelas com os valores obtidos nos ensaios de densidade
aparente, absorção de água, porosidade e resistência a compressão.
Fração Faixa Densidade Aparente (g/cm³)
Condição de granulométrica
Corpos de prova
escória de escória
(US Tyler) CP08 CP09 CP10 CP11 CP12 CP13 Média Desvio
Padrão
C1 20% 20 – 200 1,86 1,88 1,89 1,84 1,93 1,86 1,88 0,03
C2 20% 4 – 20 2,02 1,98 2,02 1,91 2,09 1,98 2,00 0,06
C3 40% 20 – 200 2,06 2,09 2,10 2,15 2,04 2,11 2,09 0,04
C4 40% 4 – 20 2,20 2,15 2,39 2,12 2,07 2,12 2,18 0,11
C5 60% 20 – 200 2,13 2,14 2,15 2,10 2,18 2,16 2,14 0,03
C6 60% 4 – 20 2,22 2,16 2,26 2,18 2,24 2,23 2,22 0,04
Ref - - 1,87 1,89 1,86 1,85 1,88 1,86 1,87 0,01
Fração Faixa Absorção de água (%)
Condição de granulométrica
Corpos de prova
escória de escória
(US Tyler) CP08 CP09 CP10 CP11 CP12 CP13 Média Desvio
Padrão
C1 20% 20 – 200 11,62 10,81 9,84 12,91 9,28 12,01 11,1 1,34
C2 20% 4 – 20 8,21 8,69 7,84 10,63 7,01 8,20 8,43 1,21
C3 40% 20 – 200 8,70 9,90 8,10 8,15 8,80 8,87 8,75 0,65
C4 40% 4 – 20 5,12 5,50 6,12 6,27 7,12 6,27 6,07 0,7
C5 60% 20 – 200 8,30 7,80 9,00 7,90 8,34 8,49 8,31 0,43
C6 60% 4 – 20 5,84 6,45 4,28 6,35 5,14 5,63 5,61 0,81
Ref - - 10,07 8,19 10,02 10,52 8,66 10,36 9,64 0,97
66
Fração Faixa Porosidade (%)
Condição de granulométrica
Corpos de prova
escória de escória
(US Tyler) CP08 CP09 CP10 CP11 CP12 CP13 Média Desvio
Padrão
C1 20% 20 – 200 21,59 20,34 18,63 23,77 18,09 22,34 20,79 2,02
C2 20% 4 – 20 16,55 17,22 15,80 20,29 14,62 16,28 16,79 1,92
C3 40% 20 – 200 17,18 17,89 17,60 18,87 16,78 16,50 17,19 0,57
C4 40% 4 – 20 11,28 11,82 14,63 13,28 14,76 13,30 13,18 1,42
C5 60% 20 – 200 15,97 15,85 16,90 16,50 16,34 16,22 16,30 0,38
C6 60% 4 – 20 12,99 13,94 9,68 13,83 11,53 12,57 12,42 1,61
Ref - - 18,79 15,47 18,68 19,46 16,29 19,23 17,99 1,68
Fração Faixa Resistência a compressão (MPa)
Condição de granulométrica
Corpos de prova
escória de escória
(US Tyler)
CP CP CP CP CP CP CP Média Desvio
01 02 03 04 05 06 07 Padrão
C1 20% 20 – 200 15,9 17,5 16,7 15,4 16,4 16,4 15,7 16,3 0,7
C2 20% 4 – 20 18,1 16,6 13,0 17,0 17,0 17,9 19,5 17,0 1,9
C3 40% 20 – 200 19,1 20,3 21,2 19,0 18,8 20,0 17,9 19,5 1,1
C4 40% 4 – 20 21,7 22,4 22,5 22,8 23,3 22,7 22,4 22,6 0,4
C5 60% 20 – 200 23,5 21,3 21,1 20,1 20,1 21,8 20,1 21,1 1,2
C6 60% 4 – 20 26,3 24,0 23,1 22,5 24,4 20,8 24,0 23,6 1,6
Ref - - 15,7 15,8 17,0 17,5 17,4 17,5 14,4 16,5 1,1