estudo experimental das propriedades físicas e mecânicas ... · propriedades são modificadas...

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ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2008 50CBC0351 1 Estudo Experimental das Propriedades Físicas e Mecânicas de Agregados para a Construção Civil Produzidos a partir de Lama Vermelha Experimental study of the physical and mechanical properties of red mud aggregates for Civil Construction Carlos Rodrigo Costa Rossi (1); Michelle Azulay Ramos (1); Alcebíades Macedo Negrão (2); Dênio Ramam Carvalho de Oliveira (2) (1) Graduando em Engenharia Civil, Universidade Federal do Pará (2) Professor Doutor, Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal do Pará Rua Augusto Corrêa, Número 01 Guamá-Belém-Pará 66075-970 Resumo Durante o processo de obtenção da alumina, a partir da bauxita, obtêm-se o rejeito chamado de Lama Vermelha (LV). Sabe-se que esse resíduo é produzido em grande escala e seu acúmulo degrada o meio ambiente. Assim, o objetivo deste trabalho é analisar a viabilidade desse material para fins industriais, uma vez que a LV apresenta um grande potencial alternativo como matéria-prima para a produção de agregados para concretos. A metodologia empregada para a produção dos agregados consistiu da secagem da LV, moagem e mistura de matérias-primas em proporções de 80% de LV e 20% de areia fina, com adição de água para aglutinar a mistura e de óleo para estimular a produção de poros, pelos quais gases foram liberados evitando o inchamento do agregado durante a queima a 1.200 °C. Foram avaliadas as propriedades físicas, tais como absorção de água, massa unitária e massa especifica, e o desempenho mecânico em concretos com traço em volume de 1:1,5:3,0. Foram moldados 18 corpos-de-prova cilindricos para a verificação das propriedades mecânicas aos 28 dias, sendo 9 com agregados de LV e 9 com o seixo rolado característico da Região Norte do Brasil, como referência. Apesar das dificuldades no processo de produção desses agregados conseguiu-se bons resultados para suas propriedades físicas e mecânicas, quando comparados aos corpos-de-prova de referência, corroborando as propostas para emprego da LV na indústria. Palavra-Chave: Lama vermelha, Agregado, Concreto. Abstract During the process to produce alumina is also produced the by-product called Red Mud (RM). It is well known that this by-product occupies large areas and damages the environment. Thus, this work aims to analyze the viability of this material for industrial use, once the RM presents a great alternative potential as raw material to produce aggregates for concretes The methodology consisted in material drying, grind and mixture with of raw materials using 80% of RM and 20% of fine sand, water to agglutinate the mixture and oil to produce voids, through which the gases are liberated avoiding volume increasing along the 1.200 °C burning process. Physical properties such as water absorption, unitary and specific mass, and the mechanical performance of concretes with mixture of 1: 1,5: 3,0 were evaluated. Eighteen cylinder concrete samples for the verification of the mechanical performance by the age of 28 days were cast, being 9 with RM aggregates and 9 with characteristic rolled pebble of the North Area of Brazil, as reference. In spite the production process hardness the results were considered satisfactory for physical and mechanical properties when compared to the reference samples, corroborating the proposals to apply RM in an industrial scale. Keywords: Red mud, aggregates, Concrete.

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ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2008 – 50CBC0351 1

Estudo Experimental das Propriedades Físicas e Mecânicas de Agregados para a Construção Civil Produzidos a partir de Lama

Vermelha

Experimental study of the physical and mechanical properties of red mud aggregates for Civil Construction

Carlos Rodrigo Costa Rossi (1); Michelle Azulay Ramos (1); Alcebíades Macedo Negrão (2);

Dênio Ramam Carvalho de Oliveira (2)

(1) Graduando em Engenharia Civil, Universidade Federal do Pará (2) Professor Doutor, Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal do Pará

Rua Augusto Corrêa, Número 01

Guamá-Belém-Pará 66075-970

Resumo

Durante o processo de obtenção da alumina, a partir da bauxita, obtêm-se o rejeito chamado de Lama Vermelha (LV). Sabe-se que esse resíduo é produzido em grande escala e seu acúmulo degrada o meio ambiente. Assim, o objetivo deste trabalho é analisar a viabilidade desse material para fins industriais, uma vez que a LV apresenta um grande potencial alternativo como matéria-prima para a produção de agregados para concretos. A metodologia empregada para a produção dos agregados consistiu da secagem da LV, moagem e mistura de matérias-primas em proporções de 80% de LV e 20% de areia fina, com adição de água para aglutinar a mistura e de óleo para estimular a produção de poros, pelos quais gases foram liberados evitando o inchamento do agregado durante a queima a 1.200 °C. Foram avaliadas as propriedades físicas, tais como absorção de água, massa unitária e massa especifica, e o desempenho mecânico em concretos com traço em volume de 1:1,5:3,0. Foram moldados 18 corpos-de-prova cilindricos para a verificação das propriedades mecânicas aos 28 dias, sendo 9 com agregados de LV e 9 com o seixo rolado característico da Região Norte do Brasil, como referência. Apesar das dificuldades no processo de produção desses agregados conseguiu-se bons resultados para suas propriedades físicas e mecânicas, quando comparados aos corpos-de-prova de referência, corroborando as propostas para emprego da LV na indústria. Palavra-Chave: Lama vermelha, Agregado, Concreto.

Abstract

During the process to produce alumina is also produced the by-product called Red Mud (RM). It is well known that this by-product occupies large areas and damages the environment. Thus, this work aims to analyze the viability of this material for industrial use, once the RM presents a great alternative potential as raw material to produce aggregates for concretes The methodology consisted in material drying, grind and mixture with of raw materials using 80% of RM and 20% of fine sand, water to agglutinate the mixture and oil to produce voids, through which the gases are liberated avoiding volume increasing along the 1.200 °C burning process. Physical properties such as water absorption, unitary and specific mass, and the mechanical performance of concretes with mixture of 1: 1,5: 3,0 were evaluated. Eighteen cylinder concrete samples for the verification of the mechanical performance by the age of 28 days were cast, being 9 with RM aggregates and 9 with characteristic rolled pebble of the North Area of Brazil, as reference. In spite the production process hardness the results were considered satisfactory for physical and mechanical properties when compared to the reference samples, corroborating the proposals to apply RM in an industrial scale. Keywords: Red mud, aggregates, Concrete.

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1 Introdução e Objetivo

A utilização de novas técnicas de aproveitamento de resíduos têm se tornado cada vez mais importante para a indústria construção civil, em virtude da produção industrial de matérias primas, que geram produtos que causam danos ao meio ambiente. Atualmente, o Brasil produz cerca de 2,9 milhões de toneladas de resíduos industriais por ano que causam danos a natureza. Dentre esses resíduos destaca-se a lama vermelha (LV), que é um subproduto gerado pela indústria de alumínio. Há em todo mundo 84 produtores de alumina com uma produção de 70 milhões de toneladas de resíduo de processo por ano. A disposição final e contenção desses resíduos, se não controlados, podem danificar esteticamente a paisagem, poluir o ar pela poeira gerada por qualquer superfície seca na área de contenção de material e contaminar águas superficiais e subterrâneas. O interesse das indústrias é diminuir a geração e o acúmulo desses resíduos, o que geralmente não é possível reduzir totalmente, pois não há um depósito de armazenamento suficiente para a quantidade de resíduos eliminados. A partir deste problema ambiental, as pesquisas na área de construção civil têm se intensificado com o propósito de dar uma destinação adequada aos resíduos industriais, de acordo com ALBUQUERQUE (2007). O objetivo deste trabalho é apresentar uma alternativa inovadora para a utilização da lama vermelha, misturando-se o rejeito com areia fina para posterior queima e obtenção de um agregado cerâmico de resistência mecânica e densidade média aparente apropriadas para a aplicação em concretos convencionais devidamente dosados. Porém, por se tratar de novos materiais, faz-se necessário avaliar comparativamente os agregados a partir de ensaios de caracterização física. Desse modo, as amostras foram agrupadas de modo que as de LV com areia fina (LVAF) pudessem ser comparadas com as de agregado convencional seixo rolado (SR), em termos de massa específica, massa unitária, forma, textura e absorção.

2 Análise Experimental

2.1 Produção dos Agregados de LV

A LV, observada na figura 1, é retirada do processo de refino de minério de bauxita para produzir alumina (Processo Bayer) utilizada na produção dos agregados tem origem na purificação da bauxita da ALUNORTE. Com a obtenção da LV o material passará por um processo de beneficiamento para posteriormente ser utilizado recomendação de ALBUQUERQUE (2007). Inicialmente o material foi colocado em estufa a 100° C, para a secagem do mesmo durante o período de 24 horas. Em seguida a LV seca foi despejada no moinho com esferas de aço, como mostra a figura 2, até os grumos maiores se transformarem em pó, o que levou aproximadamente 2 horas. Para as misturas foram utilizadas porcentagens em massa para cada material, sendo 80% de LV (sugestão de VIEIRA e GOMES, 2006), 20% de areia fina, 2% de óleo queimado e aproximadamente 30% de água, para dar plasticidade e maleabilidade à mistura (LVAF).

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Figura 1 - Aparência da LV

Figura 2 – Equipamento utilizado na moagem da LV

A intenção da utilização da areia na manufatura de agregado leve é devido às suas várias formas de sílica, assim como suas propriedades que promovem sua aplicação. A estrutura da sílica vítrea forma a base das composições do vidro comercial, cujas propriedades são modificadas pela adição de outros óxidos de metais. O uso amplo da sílica na cerâmica é devido à sua dureza, relativa infusibilidade, baixo custo e capacidade de formar vidros. Se no processo de fabricação, durante a formação da fase vítrea, os gases escaparem, não haverá o inchamento da partícula de argila; esses defeitos podem ser corrigidos pela adição de fundentes adequados como o óleo queimado, por deslocar o período de liberação de gás para uma temperatura mais alta, ou por um aquecimento mais rápido com menor introdução de ar ou pela adição de substancias que elevam a viscosidade da fase vítrea, conforme VIEIRA e GOMES (2006). A forma arredondada dos agregados foi escolhida por se aproximar da do seixo rolado. Foram utilizadas formas metálicas cúbicas vazadas de 20 mm x 20 mm x 20 mm para a moldagem dos agregados apenas com intuito de aproximar o diâmetro médio do agregado. Após a moldagem os agregados foram arredondados manualmente. Após a etapa de moldagem os agregados foram colocados em um forno tipo mufla e a temperatura foi elevada até 1.200° C (para sinterização) por um período de aproximadamente 3 horas. Verificou-se que, depois de atingida a temperatura determinada, houve uma pequena retração dos agregados (mostrados na figura 3)

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variando de 4,8% a 15,0%. Logo, o diâmetro máximo foi de 19,0 mm. Os agregados foram então dispostos sobre uma pequena camada de pó de alumina para que o material, ao sinterizar, não aderisse à bandeja refratária do forno.

Figura 3 – Aspecto dos agregados antes e depois da queima

2.2. Caracterização Física dos Agregados

O agregado miúdo foi uma areia fina de origem quartzosa e todos os ensaios de granulometria e de massa unitária seguiram os procedimentos recomendados pela NBR 7217 (ABNT, 1987) e pela NBR 7251 (ABNT, 1982), respectivamente. Os ensaios de massa específica foram realizados de acordo com a NBR 9776 (ABNT, 1987). Como agregado graúdo (natural), e para referência, utilizou-se o seixo rolado (SR). Tais agregados foram peneirados a fim de apresentarem a graduação média de 19 mm, próxima daquela dos agregados produzidos com LVAF. Suas características físicas determinadas experimentalmente foram a massa unitária, massa específica e absorção d’água, de acordo com a NBR 9937 (ABNT, 1987) e NBR 7251 (ABNT, 1982), respectivamente. A figura 4 mostra os agregados graúdos.

Figura 4 - Agregados graúdos com lama vermelha e o seixo rolado, respectivamente.

A Tabela 1 mostra os resultados médios obtidos com os agregados ensaiados. A classificação conforme a massa específica dos agregados é feita da seguinte forma:

agregados leves ( < 2,0 kg/dm3); agregados de densidade normal (2,0 kg/dm3 < < 3,0

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kg/dm3) e agregados pesados ( > 3,0 kg/dm3). A partir dos resultados obtidos viu-se que o agregado de LV é de densidade normal, tais como os de seixo rolado e a areia fina.

Tabela 1 – Propriedades Físicas dos agregados

Amostra Massa

Específica (kg/dm³)

Massa Unitária (g/cm³)

Absorção (%)

DMC (mm)

AREIA 2,7 1,5 3,28 2,4

SR19 2,6 1,4 1,00 19

LVAF19 2,4 1,4 0,83 19

2.3 Execução dos Corpos-de-Prova

O método para a confecção dos concretos consistiu em fixar a proporção do 1:1,5:3,0 em massa durante a fase de dosagem, utilizando o cimento CP II-Z-32, areia fina lavada e variando-se os agregados graúdos para comparar aos concretos de referência, dosados com seixo rolado. A previsão de resistência para este traço foi de 40 MPa. A relação água/cimento (a/c) foi estabelecida em 0,41. Houve a necessidade da adição do aditivo plastificante Glenium 51 para dosagem das duas amostras (LVAF e SR), e a quantidade foi de acordo com a recomendação do fabricante. A partir do material disponível foram obtidos 18 corpos-de-prova (CPs) de concreto para a realização dos ensaios de compressão axial, compressão diametral e módulo de elasticidade, como mostra a figura 5. Os métodos de ensaios adotados para determinação das propriedades mecânicas seguiram as normas NBR 5739 (ABNT, 1994), NBR 8522 (ABNT, 1984) e NBR 7222 (ABNT, 1994). Todos os corpos-de-prova foram mantidos sob as mesmas condições ambientais.

Figura 5 – Moldagem dos corpos-de-prova

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3 Resultados

3.1 Ensaios Físicos e Mecânicos

Para estabelecer a influência dos agregados (produzidos com LV acrescidos da segunda matéria-prima) no comportamento mecânico do concreto, foram programados ensaios para determinação da resistência à compressão axial, da resistência à tração por compressão diametral e do módulo de elasticidade tangente. Foram utilizados corpos de prova cilíndricos para cada concreto, sendo agrupados da seguinte forma: 6 CPs de dimensões 100 mm x 200 mm, sendo 3 CPs destinados ao módulo de elasticidade e à compressão axial simples e 3 CPs para o ensaio de tração por compressão diametral.; 3 CPs de dimensões 150 mm x 300 mm destinados ao ensaio de módulo de elasticidade e à compressão axial simples.Todos os corpos-de-prova foram ensaiados aos 28 dias de idade. Para o ensaio de tração utilizou-se uma prensa Amsler do Laboratório de Engenharia Civil da UFPA, com capacidade para 200 tf, e para os ensaios de compressão axial simples e módulo de elasticidade utilizou-se uma prensa EMIC servo-controlada, como mostra a figura 6.

Figura 6 – Ensaio de compressão axial

3.1.1 Densidade

A densidade do concreto para as amostras LVAF19 e SR19 foi obtida determinando-se as massas dos CPs de dimensões 100 mm x 200 mm e 150 mm x 300 mm, e dividindo-as pelo volume dos exemplares. A tabela 2 apresenta os valores de densidade obtidos experimentalmente para as amostras LVAF19 e SR19. Os valores de densidade do concreto com LV foram iguais aos do concreto de referência. A figura 7 compara graficamente os resultados médios observados e a figura 8 mostra a preparação dos CPs para determinação da densidade.

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Tabela 2 – Resultados para o ensaio de densidade

Grupo N° do CP Área

(mm²)

Densidade

(kg/m³) Grupo N° do CP

Área

(mm²)

Densidade

(kg/m³)

SR

SR19 - 01

7854,0

2272,1

LVAF

LVAF19 - 01

7854,0

2342,1

SR19 - 02 2348,5 LVAF19 - 02 2406,4

SR19 - 03 2288,0 LVAF19 - 03 2356,8

SR19 - 04 2330,0 LVAF19 - 04 2287,4

SR19 - 05 2310,3 LVAF19 - 05 2351,0

SR19 - 06 2372,0 LVAF19 - 06 2383,5

SR19 - 07

17671,4

2339,2 LVAF19 - 07

17671,4

2342,9

SR19 - 08 2293,7 LVAF19 - 08 2364,8

SR19 - 09 2235,4 LVAF19 - 09 2330,3

Média 2310,0 Média 2351,7

Desvio Padrão 74,5 Desvio Padrão 64,3

Coeficiente de Variação 3,2% Coeficiente de Variação 2,7%

2310,0

kg

/m³

2351,7

kg

/m³

2200,0

2250,0

2300,0

2350,0

2400,0

Den

sid

ad

e (

kg

/m³)

SR LVAF

Amostras Figura 7 – Valores experimentais médios para a densidade

Figura 8 – Determinação da densidade dos corpos-de-prova

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3.1.2 Módulo de Elasticidade

O módulo de elasticidade dos concretos confeccionados com amostras de LV e SR foram obtidos quando os CPs alcançaram as idades de 28 dias, sendo realizados segundo as orientações da norma NBR 8522 (ABNT, 1984). O concreto dosado em SR apresentou seu módulo de elasticidade muito inferior aos de LVAF. Os altos valores encontrados na amostra de LVAF podem estar relacionados à baixa porosidade dos mesmos. Sabe-se que as propriedades elásticas do concreto são influenciadas pelas propriedades elásticas dos materiais constituintes. Os resultados dos valores de módulo de elasticidade dos concretos produzidos com os agregados selecionados são apresentados na tabela 3. Os valores finais representam a média dos resultados observados dos seis CPs por amostra e estão representados na figura 9, e a figura 10 mostra um corpo-de-prova durante a realização dos ensaios.

Tabela 3 – Resultados dos ensaios para módulo de elasticidade

Grupo N° do CP Área

(mm²)

Módulo de

Elasticidade

(GPa)

Grupo N° do CP Área

(mm²)

Módulo de

Elasticidade

(GPa)

SR

SR19-01

7854,0

22,9

LVAF

LVAF19-01

7854,0

39,7

SR19-02 20,7 LVAF19-02 42,4

SR19-03 22,5 LVAF19-03 38,2

SR19-07

17671,4

19,6 LVAF19-07

17671,4

36,5

SR19-08 19,4 LVAF19-08 38,3

SR19-09 18,7 LVAF19-09 38,1

Média Aritmética 20,6 Média Aritmética 39,0

Desvio Padrão 2,3 Desvio Padrão 3,5

Coeficiente de

Variação 11,1% Coeficiente de

Variação 9,0%

20

,6 G

Pa

39

,0 G

Pa

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

Valo

r E

c (

GP

a)

SR LVAF

Amostras

Figura 9 – Valores experimentais médios para o módulo de elasticidade

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Figura 10 – Ensaio de módulo de elasticidade

3.1.3 Resistência à Compressão Axial Simples

A tabela 4 apresenta os valores obtidos com os ensaios de resistência à compressão axial para todas as amostras, de acordo com a NBR 5739 (ABNT, 1994). O concreto de referência atingiu a resistência de dosagem prevista aos 28 dias, em torno de 26 MPa, e o concreto com agregados da amostra LVAF19 atingiu resistências em torno de 40 MPa. A figura 11 mostra os valores médios experimentais e a figura 12 mostra a realização do ensaio onde as fissuras de ruptura ocorreram na pasta, indicando a alta resistência do material utilizado como agregado.

Tabela 4 – Resultado dos ensaios para a resistência à compressão axial simples

Grupo N° do

CP

Área

(mm²)

Carga

Última

(kN)

Ruptura

(MPa)

Grupo N° do CP Área

(mm²)

Carga

Última

(kN)

Ruptura

(MPa)

SR

SR19-01

7854,0

214,3 27,3

LVAF

LVAF19-01

7854,0

320,1 40,8

SR19-02 208,0 26,5 LVAF19-02 333,3 42,4

SR19-03 205,7 26,2 LVAF19-03 302,7 38,5

SR19-07

17671,4

426,0 24,1 LVAF19-07

17671,4

699,8 39,6

SR19-08 469,5 26,6 LVAF19-08 714,4 40,4

SR19-09 452,8 25,6 LVAF19-09 706,8 40,0

Média Aritmética 26,0 Média Aritmética 40,3

Desvio Padrão 1,8 Desvio Padrão 2,1

Coeficiente de Variação 6,9% Coeficiente de Variação 5,2%

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26

,0 M

Pa

40

,3 M

Pa

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0V

alo

r fc

(M

Pa

)

SR LVAF

Amostras

Figura 11 – Valores experimentais médio para a resistência à compressão axial simples

Figura 12 – Ensaio de compressão axial simples

3.1.3 Tração por Compressão Diametral

A tabela 5 apresenta os valores obtidos com os ensaios de resistência à tração por compressão diametral, de acordo com a norma NBR 7222 (ABNT, 1994), para 3 CPs de 100 mm x 200 mm de cada amostra. Deste modo, é possível corrigir os valores para obtenção da média aritmética. O concreto de referência apresentou valor médio em torno de 3,2 MPa, quase igual ao do e o concreto com agregados da amostra LVAF19, 3,3 MPa. A figura 13 mostra os valores médios experimentais e duas etapas do ensaio são mostradas na figura 14.

Tabela 5 – Resultado dos ensaios para resistência à tração por compressão diametral

Grupo N° do CP Área

(mm²)

Pu

(kgf)

ft

(MPa) Grupo N° do CP

Área

(mm²)

Pu

(kgf)

ft

(MPa)

SR

SR19-04

7854,0

8.800,0 2,8

LVAF

LVAF19-04

7854,0

10.500,0 3,3

SR19-05 12.000,0 3,8 LVAF19-05 11.500,0 3,7

SR19-06 9.200,0 2,9 LVAF19-06 9.000,0 2,9

Média Aritmética 3,2 Média Aritmética 3,3

Desvio Padrão 0,6 Desvio Padrão 0,4

Coeficiente de Variação 20,1% Coeficiente de Variação 13,1%

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3,2

MP

a

3,3

MP

a

3,00

3,10

3,20

3,30T

ração

(M

Pa)

SR LVAF

Amostras Figura 13 – Valores experimentais médios para resistência à tração por compressão diametral

Figura 14 – Ensaio de tração por compressão diametral

4 Conclusão

A utilização direta da lama vermelha na produção de diferentes tipos de produtos cerâmicos e na produção de agregados graúdos aponta para resultados bastante motivadores. Foi utilizada uma mistura na dosagem do concreto: LV + Areia fina (LVAF) para ser comparada com concreto de referência dosados com seixo rolado, para mesmas granulometrias. O valor médio da resistência à tração por compressão diametral foi aproximadamente igual ao obtido para o concreto de referência, mas a resistência à compressão axial simples foi 55,0% acima do de referência. O resultado mais expressivo foi para o módulo de elasticidade, superando o valor de referência em até 89,0%. Nos ensaios de compressão axial e diametral verificou-se que as rupturas dos concretos dosados em seixo rolado ocorreram no próprio agregado, enquanto que nos dosados com LVAF a ruptura se deu na pasta cimentícea, provando que o agregado com LV apresenta elevada resistência que pode ser empregado em concretos com fins estruturais. Sua aplicação em concretos convencionais pode incentivar sua produção em escala industrial ou semi-industrial. Devem ser realizados estudos mais aprimorados visando investigar o comportamento da zona de transição e a durabilidade de concretos dosados com agregados de LV.

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5 Agradecimentos

Os autores agradecem à CAPES, CNPQ, ALUNORTE e FAPESPA pelo apoio financeiro no desenvolvimento desta e de outras pesquisas.

6 Referências

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5739: Ensaio de compressão de corpos de prova cilíndricos de concreto - Método de ensaio. Rio de Janeiro, 1994.

____. NBR 8522: Determinação dos módulos estáticos de elasticidade e de deformação e da curva tensão deformação. Rio de Janeiro, 2003.

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