trabalho de conclusão de curso - versão final
TRANSCRIPT
UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS – UFG
CAMPUS CATALÃO – CAC
CURSO DE ENGENHARIA DE MINAS
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
MARCOS VINICIUS AGAPITO MENDES
APROVEITAMENTO DE FINOS DE MAGNETITA GERADOS NO
PROCESSAMENTO DE ROCHA FOSFÁTICA
CATALÃO
2014
MARCOS VINICIUS AGAPITO MENDES
APROVEITAMENTO DE FINOS DE MAGNETIRA GERADOS NO
PROCESSAMENTO DE ROCHA FOSFÁTICA
Orientador: Prof. Dr. André Carlos Silva
CATALÃO
2014
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao curso de Engenharia
de Minas da Universidade Federal
de Goiás – UFG, como requisito
parcial para obtenção do título de
bacharel em Engenharia de Minas.
À minha família, pelo incentivo para
continuar trilhando esse tortuoso caminho, e
à minha noiva, pela motivação nas horas
difíceis.
AGRADECIMENTOS
Queria agradecer primeiramente a Deus, que me deu forças para chegar até aqui com saúde,
vencendo uma série de desafios pelo caminho.
A minha família, em especial minha avó Eleuza de Fátima, minha mãe Suely de Fátima Mendes,
e meu pai Marcos Serafim Agapito; pelo apoio e compreensão nos momentos difíceis que
passei. Ao meu tio Welson Roberto e minha tia Marcia da Silva Agapito Roberto pelos muitos
conselhos passados a mim.
À Anglo American Fosfatos Brasil, na pessoa do engenheiro Ângelo Pereira Silva Jr, que nos
forneceu o material necessário à realização deste estudo. Também ao meu gestor na Anglo
American Nióbio Brasil, Pauliano Sebastião Rufino Cruz, que me ajudou muito durante meu
estágio nesta empresa e contribuiu de forma satisfatória para meu crescimento profissional.
A todos meus professores, que muito me ensinaram, e ao meu professor e orientador André
Carlos Silva.
Ao professor Rodrigo Gustavo Delalibera e ao graduando em engenharia civil Alexandre Faria
Seixo de Britto, pela grande ajuda com os cálculos e modelagem dos corpos de prova de
concreto.
Também quero agradecer a todos meus amigos pelos momentos que passamos juntos, os quais
me agregaram valores importantes; e a Ricardo Antônio de Rezende e Rildo Ferreira de Sousa
Júnior, pela ajuda e conselhos durante a realização desta pesquisa.
A todos que de alguma forma contribuíram para que este trabalho fosse realizado.
Por fim, em especial, quero agradecer minha noiva, Marcella Lourenço Bueno, mulher que
esteve sempre ao meu lado nos momentos difíceis, me dando forças para continuar, que
acreditou no meu potencial até nos momentos em que eu mesmo não acreditava mais, e que
nunca desistiu de perseguir um sonho que no começo era só meu, mas que se tornou dela
também.
Muito obrigado a todos!
“Talvez não tenha conseguido fazer o
melhor, mas lutei para que o melhor fosse
feito. Não sou o que deveria ser, mas Graças
a Deus, não sou o que era antes”.
(Marthin Luther King)
RESUMO
O aproveitamento dos finos de magnetita gerados no processamento de rocha fosfática consiste
em uma alternativa importante para a diminuição de passivos ambientais causados pelo ramo
de mineração. No entanto, são necessário métodos que viabilizem este fato. Entre eles podemos
considerar os métodos de aglomeração e a substituição dos componentes do concreto por
magnetita. Especificamente neste trabalho procedeu-se o estudo destes métodos. No entanto,
devido à falta de equipamentos adequados para a aglomeração, somente ensaios com corpos de
prova de concreto foram realizados. Estes últimos consistiram na substituição parcial do
agregado miúdo por magnetita na composição do concreto com a realização ensaios de ruptura
para a verificação da resistência mecânica. Os resultados foram satisfatórios para um estudo
preliminar, comprovando que a substituição da areia por magnetita realmente causa um
incremento na resistência mecânica do concreto.
Palavras-chave: aproveitamento. Concreto. Dosagem. Finos de magnetita.
ABSTRACT
The use of magnetite fine generated in phosphate rock processing is an important alternative
for the reduction of environmental damage caused by mining sector. However, methods are
needed that allow this. Among them we can consider agglomeration methods and concrete
components replacement with magnetite. In this work a study of these methods was conducted.
However, due to a lack of proper equipment for agglomeration, only tests with concrete were
performed. The latter consisted of the partial replacement of the light aggregate with magnetite
in the concrete composition with rupture tests for checking the mechanical resistance. Obtained
were satisfactory for a preliminary study, showing the replacement of sand per magnetite
actually causes an increase in mechanical strength of concrete.
Keywords: reuse. Concrete. Dosage. Magnetite fines.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Cimento (A), agregado miúdo - areia (B), e agregado graúdo - pedra ou brita (C) 24
Figura 2 - Clínquer para a fabricação do cimento Portland ................................................... 25
Figura 3 - Areia natural a esquerda, e seixo rolado a direita .................................................. 26
Figura 4 - Medida do abatimento do tronco de cone ............................................................. 28
Figura 5 - Gráfico para a determinação da relação água/cimento (a/c) em função das
resistências do concreto e do cimento aos 28 dias de idade ............................................ 34
Figura 6 - Resistência média a compressão do cimento em função da relação água/cimento
para os cimentos do tipo CP 32 ..................................................................................... 34
Figura 7 - Relação entre resistência à compressão (porcentagem da resistência aos 28 dias e
curada a 21ºC) e maturidade .......................................................................................... 38
Figura 8 - Alguns resíduos metálicos e os respectivos briquetes ........................................... 45
Figura 9 - Princípio da compressão em prensa de rolos ........................................................ 46
Figura 10 - Rolos integrais com revestimento de uma liga especial ...................................... 50
Figura 11 - Rolos sólidos, com possibilidade de substituição das tiras que dão forma aos
briquetes ....................................................................................................................... 50
Figura 12 - Rolos segmentados para aplicação em materiais abrasivos ................................. 51
Figura 13 - Esquema de disco de pelotamento e o mesmo em operação industrial ................ 53
Figura 14 - Esquema de tambor de pelotamento e o mesmo em operação industrial.............. 54
Figura 15 - Esquema de um disco de pelotamento ................................................................ 57
Figura 16 - Formação de pelotas cruas em um disco de pelotamento. Vista lateral (a) e vista
frontal do disco (b) ........................................................................................................ 57
Figura 17 – Influência das forças capilares no mecanismo de aglomeração de finos de minério
de ferro ......................................................................................................................... 58
Figura 18 - Estágios de formação das pelotas cruas .............................................................. 60
Figura 19 - Classificação das pelotas cruas ........................................................................... 61
Figura 20 - Alimentação da grelha, com pelotas cruas e com pelotas de camada lateral e de
fundo ............................................................................................................................ 62
Figura 21 - Zona de secagem ascendente do forno de queima ............................................... 63
Figura 22 - Zona de secagem descendente do forno de queima ............................................. 63
Figura 23 - Zona de pré-queima no forno de queima ............................................................ 64
Figura 24 - Transferência de calor do fluxo gasoso para o leito de pelotas na zona de queima
..................................................................................................................................... 65
Figura 25 - Perfil térmico de um forno do tipo Grelha Móvel ............................................... 66
Figura 26 - Empilhamento de pelotas pelo método Windrow. Formação das pilhas paralelas
vista da empilhadeira (A) e formação das pilhas paralelas na vista frontal (B) ............... 68
Figura 27 - Formação do pescoço entre partículas esféricas induzidas por sinterização ......... 70
Figura 28 - Estágios de sinterização ..................................................................................... 71
Figura 29 - Esquema do processo Dwigth & Lloyd .............................................................. 73
Figura 30 - Microestrutura do sínter de minério de ferro....................................................... 73
Figura 31 - Estufa (A) e assadeiras (B) ................................................................................. 75
Figura 32 - Peneirador de laboratório (A) e quarteador (B) ................................................... 76
Figura 33 - Série de peneiras (A) e balança de precisão (B) .................................................. 76
Figura 34 - Garrafas pet individualizando a magnetita retida em cada malha da série ........... 77
Figura 35 - Picnômetro utilizado para obter as massas específicas dos materiais .................. 78
Figura 36 - Betoneira CSM de 150 litros utilizada nos ensaios ............................................. 80
Figura 37 - Slump test com funil utilizado no ensaio do abatimento do tronco de cone ......... 81
Figura 38 - Posicionamento do slump test entre os pés do executante ................................... 82
Figura 39 - Material sendo socado com o auxílio da haste .................................................... 82
Figura 40 - Medição do abatimento do tronco de cone em dois ensaios de slump test ........... 83
Figura 41 - Materiais utilizados para a moldagem dos corpos de prova................................. 83
Figura 42 - Concreto sendo socado na modelagem dos corpos de prova ............................... 84
Figura 43 - Acerto da superfície do corpo de prova .............................................................. 84
Figura 44 - Prensa hidráulica de 45 ton utilizada nos ensaios ................................................ 85
Figura 45 - Projeto da peça para distribuir a pressão uniformemente no corpo de prova ....... 85
Figura 46 - Peça de aço mecânico utilizada para distribuir a pressão uniformemente no corpo
de prova ........................................................................................................................ 86
Figura 47 - Corpo de prova ajustado no centro da prensa (A) e manômetro analógico (B) .... 86
Figura 48 - Corpo de prova após ruptura .............................................................................. 87
Figura 49 - Distribuição granulométrica da areia ................................................................. 91
Figura 50 - Distribuição granulométrica da magnetita .......................................................... 91
Figura 51 - Gráfico representando a média aritmética dos resultados de resistência à
compressão dos corpos de prova ................................................................................... 94
Figura 52 - Gráfico representando os resultados maiores para a resistência à compressão dos
corpos de prova ............................................................................................................. 94
Figura 53 - Gráfico representado a discrepância entre os resultados de resistência à
compressão obtidos para os corpos de prova A (0% de magnetita) ................................ 95
Figura 54 - Gráfico representado a discrepância entre os resultados de resistência à
compressão obtidos para os corpos de prova B (5% de magnetita) ................................. 95
Figura 55 - Gráfico representado a discrepância entre os resultados de resistência à
compressão obtidos para os corpos de prova C (10% de magnetita) ............................... 96
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Relação entre trabalhabilidade e abatimento do tronco de cone ............................ 28
Tabela 2 - Valores do desvio padrão de dosagem em função das condições de preparo......... 33
Tabela 3 - Consistência do concreto em função do elemento estrutural para o caso do
adensamento mecânico .................................................................................................. 35
Tabela 4 - Estimativa do consumo de água por metro cúbico de concreto ............................. 35
Tabela 5 - Volume compactado seco (Vag) de agregado graúdo por metro cúbico de concreto
..................................................................................................................................... 36
Tabela 6 - Série de peneiras para agregados ......................................................................... 37
Tabela 7 - Diferentes tipos de aglomerantes ......................................................................... 42
Tabela 8 - Alguns aglomerantes utilizados na briquetagem de partículas finas...................... 43
Tabela 9 - Força necessária para compressão de materiais em uma prensa com rolo de 1000
mm de diâmetro ............................................................................................................ 48
Tabela 10 - Série de peneiras utilizada para a análise granulométrica ................................... 77
Tabela 11 - Valores obtidos nos ensaios de picnometria e média da massa específica para a
areia .............................................................................................................................. 88
Tabela 12 – Valores obtidos nos ensaios de picnometria e média da massa específica para a
brita .............................................................................................................................. 88
Tabela 13 - Valores obtidos nos ensaios de picnometria e média da massa específica para a
magnetita ...................................................................................................................... 88
Tabela 14 - Análise granulométrica média para a areia ......................................................... 89
Tabela 15 - Análise granulométrica média para a magnetita ................................................. 90
Tabela 16 - Módulo de finura médio obtido para a areia ....................................................... 92
Tabela 17 - Valores do traço e do consumo de componentes para uma situação inicial e outra
corrigida ........................................................................................................................ 92
Tabela 18 - Descrição da nomenclatura atribuída aos corpos de prova .................................. 93
Tabela 19 - Resistência a compressão dos corpos de prova ................................................... 93
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 16
2. OBJETIVOS ........................................................................................................... 18
2.1. OBJETIVO GERAL .....................................................................................................................18 2.2. OBJETIVO ESPECÍFICO ............................................................................................................18
3. JUSTIFICATIVA ................................................................................................... 19
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 20
4.1. CONCRETO ................................................................................................................................20 4.1.1. Origens do concreto ..............................................................................................................20 4.1.2. Conceitos ..............................................................................................................................21 4.1.3. Composição do concreto simples ...........................................................................................23
4.1.3.1. Cimento ........................................................................................................................................ 24 4.1.3.2. Agregados..................................................................................................................................... 25 4.1.3.3. Água ............................................................................................................................................. 26
4.1.4. Propriedades do concreto fresco ...........................................................................................27 4.1.4.1. Trabalhabilidade ........................................................................................................................... 27 4.1.4.2. Consistência .................................................................................................................................. 29 4.1.4.3. Segregação.................................................................................................................................... 29 4.1.4.4. Exsudação..................................................................................................................................... 29
4.1.5. Propriedades do concreto endurecido ...................................................................................30 4.1.5.1. Resistência à compressão .............................................................................................................. 30 4.1.5.2. Módulo de elasticidade .................................................................................................................. 30 4.1.5.3. Resistência à tração ....................................................................................................................... 30
4.1.6. Escolha dos materiais ...........................................................................................................31 4.1.7. Dosagem de materiais ...........................................................................................................31
4.2. AGLOMERAÇÃO .......................................................................................................................38 4.2.1. Briquetagem .........................................................................................................................39
4.2.1.1. Briquetagem com aglomerantes ..................................................................................................... 41 4.2.1.2. Briquetagem sem aglomerantes...................................................................................................... 43 4.2.1.3. Briquetagem a quente .................................................................................................................... 44 4.2.1.4. Processo de briquetagem ............................................................................................................... 45
4.2.1.4.1. Preparação ............................................................................................................................. 46 4.2.1.4.2. Mistura .................................................................................................................................. 47 4.2.1.4.3. Compactação ......................................................................................................................... 47 4.2.1.4.4. Tratamento térmico ................................................................................................................ 49
4.2.1.5. Equipamentos de briquetagem ....................................................................................................... 49 4.2.2. Pelotização ...........................................................................................................................52
4.2.2.1. Processo de pelotização ................................................................................................................. 55 4.2.2.1.1. Preparação da matéria prima .................................................................................................. 55 4.2.2.1.2. Formação das pelotas cruas (ou pelotamento) ......................................................................... 56 4.2.2.1.3. Processamento térmico (ou queima) ....................................................................................... 61
4.2.2.2. Secagem e endurecimento das pelotas a frio ................................................................................... 66 4.2.2.3. Estocagem e embarque das pelotas................................................................................................. 67
4.2.3. Sinterização ..........................................................................................................................68 4.2.3.1. Fundamentos de sinterização ......................................................................................................... 68 4.2.3.2. Processo de sinterização ................................................................................................................ 69 4.2.3.3. Sinterização de partículas minerais ................................................................................................ 72
5. METODOLOGIA .................................................................................................. 75
5.1. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS UTILIZADOS ...........................................................75 5.1.1. Análise granulométrica da magnetita e areia.........................................................................75 5.1.2. Módulo de finura da areia .....................................................................................................78
5.1.3. Massa específica da areia, brita e magnetita .........................................................................78 5.2. CÁLCULO DO TRAÇO DO CONCRETO ...................................................................................79 5.3. MODELAGEM E RUPTURA DOS CORPOS DE PROVA ...........................................................80
6. RESULTADOS E DISCUSSÕES .......................................................................... 88
7. CONCLUSÕES ................................................................................................... 98
REFERÊNCIAS ........................................................................................................... 99
16
1. INTRODUÇÃO
A indústria mineral é um ramo importante da economia e que está se fortalecendo no decorrer
dos anos. Devido a seu crescimento, se tornou um mercado extremamente competitivo. Diante
desse cenário, as empresas buscam a redução de custos para se tornarem mais rentáveis e
sobreviverem nesse ambiente.
Algumas empresas do setor mineral buscam se tornar mais competitivas no mercado dando
ênfase à concentração e produção de elementos minerais que antes eram descartados como
rejeitos do processamento mineral. Tal fato ocorria devido à falta de interesse por parte do
grupo nesse material, pela falta de tecnologia e rotas que propiciassem sua produção, e também
pela falta de mercado para o produto. Mas o cenário vem mudando, e com a descoberta de novas
tecnologias e a acirrada competitividade do mercado, a produção desses materiais, que antes
eram descartados, começa a se tornar possível. Atualmente, algumas empresas comercializam,
além do produto principal, coprodutos obtidos do processamento e que eram descartados,
aumentando sua receita e diminuindo os impactos ambientais causados pela deposição de
grandes quantidades de rejeitos e estéreis.
A magnetita é um mineral atualmente descartado como rejeito em plantas de beneficiamento
de rocha fosfática, como ocorre em Catalão/GO. A quantidade desse material gerado no
processo é pequena se considerado a produção de plantas de beneficiamento de minério de
ferro. Porém, as quantidades são consideráveis quando analisamos os impactos ambientais
causados pela deposição dessa magnetita como rejeito. Além disso, a comercialização desse
material como coproduto da indústria de fosfato pode ser uma alternativa de destaque para o
aumento da receita e manutenção da empresa no mercado.
Para que a comercialização da magnetita proveniente desse processo seja possível, são
necessários estudos que comprovem que esse material pode realmente ser aproveitado com
outras finalidades, e que isso é economicamente viável. Portanto, este trabalho busca encontrar
possíveis métodos de aproveitamento para esta magnetita gerada no processamento de rocha
fosfática.
17
A substituição do agregado miúdo por finos de magnetita na composição do concreto pode ser
considerado um método de aproveitamento de destaque. A indústria de construção civil é um
ramo da economia que teve um importante crescimento nos últimos anos. Logo, qualquer
alteração na composição do concreto que traga ganhos de resistência mecânica e diminua os
custos de produção é interessante para este setor.
Outro método importante a ser considerado é a aglomeração. A produção de briquetes, pelotas
e sínter com resistência mecânica considerável e sem a presença de sulfetos pode ser uma
alternativa para o aproveitamento dos finos de magnetita como revestimento de asfalto e insumo
no alto-forno para a produção de aço.
Estes métodos de aproveitamento podem garantir uma diminuição considerável nos passivos
ambientais gerados no processamento de rocha fosfática, permitir ganhos com a
comercialização de um coproduto e aumentar a resistência mecânica de concretos produzidos
com baixo custo.
Neste trabalho foram realizados testes para estudar a viabilidade técnica da substituição do
agregado miúdo por finos de magnetita na composição do concreto. Para isto, um estudo sobre
concreto se fez necessário. Porém, uma revisão sobre aglomeração também foi realizada devido
à importância deste método para o aproveitamento dos finos de magnetita.
18
2. OBJETIVOS
2.1. OBJETIVO GERAL
Estudar métodos de aproveitamento para finos de magnetita gerados no processamento de rocha
fosfática.
2.2. OBJETIVO ESPECÍFICO
i. Realizar estudo sobre as propriedades do concreto, dosagem, modelagem e ruptura de
corpos de prova de concreto;
ii. Estudar métodos de aglomeração que permitam o aproveitamento dos finos de
magnetita gerados no processamento de rocha fosfática;
iii. Executar análise granulométrica do agregado miúdo e da magnetita, adequando ambos
materiais à mesma distribuição;
iv. Realizar o cálculo do traço visando obter uma resistência de concreto convencional;
v. Substituir parcialmente o agregado miúdo do concreto por finos de magnetita,
produzindo corpos de prova para ensaios;
vi. Realizar ensaios de resistência mecânica com os corpos de prova de concreto
produzidos.
19
3. JUSTIFICATIVA
Diante do mercado competitivo que se formou atualmente, qualquer redução de custos, por
mais singela que seja, gera ganhos consideráveis. O rejeito gerado pelo processamento de rocha
fosfática contendo magnetita, como ocorre em Catalão/GO, é um passivo ambiental que possui
custos para sua manutenção. Logo, a diminuição deste mineral, que atualmente é depositado
em barragens de rejeito, deve ser implementada visando a redução deste impacto ambiental bem
como a geração de divisas para a empresa.
De acordo com os resultados obtidos na prospecção dos depósitos minerais de Catalão/GO a
magnetita continuará a ser produzida pelas plantas de processamento de rocha fosfática. Logo,
a produção e comercialização de concentrado de magnetita pode ser uma alternativa para
diminuir o custo operacional global. Assim sendo, justifica-se o presente trabalho como uma
tentativa de encontrar métodos de aproveitamento para essa magnetita.
20
4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Os finos de magnetita são considerados rejeitos do processamento de rocha fosfática. Por este
fato, são descartados em barragens de rejeito gerando passivos ambientais consideráveis. Logo,
encontrar métodos de aproveitamento para os finos de magnetita pode garantir a diminuição
dos impactos ambientais, permitindo que este material seja comercializado como coproduto.
4.1. CONCRETO
O concreto é um material muito utilizado, e em grande escala, no ramo da construção civil.
Logo, o desenvolvimento de novas tecnologias que permitam a diminuição de custos e
melhorias nas propriedades mecânicas é importante. Assim, a busca por novos materiais que
substituam os componentes principais do concreto, baixando custos de produção e conferindo-
lhe melhores características mecânicas, está sendo muito difundida atualmente.
A magnetita é um rejeito gerado em grandes quantidades em etapas de processamento de rocha
fosfática. Assim, a substituição de uma porcentagem do agregado miúdo (areia) por este
material pode trazer ganhos para o setor de mineração e de construção civil. E caso o estudo
obtenha sucesso, poderá conferir melhores propriedades mecânicas ao concreto e, talvez,
diminuir os custos de produção desse material.
Atualmente existem vários ensaios que podem ser realizados com corpos de prova de concreto
para determinar suas propriedades técnicas. Neste trabalho a ênfase aconteceu nos ensaios de
compressão pelo fato de sua importância e simplicidade de realização.
4.1.1. Origens do concreto
O concreto pode ser considerado como uma pedra artificial resultante da junção de um
aglomerante com materiais pétreos. Pode-se afirmar que é tão antigo quanto a civilização, pois
entre 9000 e 7000 a.C. a cal já era utilizada em uma mistura com pedra para a construção de
pisos (VIEIRA, 2007). Segundo Malinwski e Garfinkel (1991) apud Vieira (2007) escavações
na cidade de Jericó encontraram pisos construídos com material semelhante ao concreto atual,
21
questionando o fato de serem os gregos e romanos os pioneiros do uso da cal e da pozolana na
obtenção do concreto.
O concreto é, depois da pedra, da argila e da madeira, um dos materiais de construção mais
antigos que a humanidade conhece. Em tempos remotos, os romanos produziam um tipo de
concreto com cinza vulcânica e cal que permitia a moldagem e a soldagem de peças formadas
por grandes blocos de pedra. Pode-se afirmar que sua origem, em tempos mais recentes,
remonta ao ano de 1756, quando John Smeaton utilizou pela primeira vez uma argamassa
calcinada na construção do farol de Eddystone (BAUER e NORONHA, 2008).
Foi somente a partir de 1824, entretanto, com o advento do cimento Portland, que o concreto
assumiu um lugar de destaque entre os materiais de construção. Assim, surgiram as primeiras
especificações para concreto baseadas no estudo científico de seus elementos constitutivos e
das suas propriedades físicas.
O concreto surgiu da necessidade de aliar a durabilidade da pedra com a resistência do aço,
podendo o material composto assumir qualquer forma, envolvendo o aço para evitar a sua
corrosão. Os materiais de construção feitos à base de cimento podem ser considerados os mais
importantes produzidos pelo homem, porque lhe possibilitou construir as edificações e todas as
principais obras de que necessitava para viver.
O consumo mundial de concreto, no ano de 1963, foi estimado em 3 bilhões de toneladas, se
traduzindo em uma tonelada por pessoa no mundo. O homem não consome nenhum outro
material em tal quantidade, a não ser a água. Dentre fatores de seu alto consumo podemos
considerar a facilidade e disponibilidade para obter os materiais que o compõem a um custo
baixo, a facilidade de execução, adaptação a todo tipo de forma e tamanho, excelente resistência
à água, e o fato de se apresentar como um material ecologicamente correto.
4.1.2. Conceitos
O concreto é um material de construção heterogêneo muito importante resultante da mistura de
um aglomerante hidráulico com materiais inertes à água. O aglomerante usualmente empregado
é o cimento Portland. Os materiais inertes do concreto são designados por agregados, que se
dividem em graúdos (pedra britada) e miúdos (normalmente areia natural, ou pó de pedra). O
22
cimento, ao ser hidratado pela água, forma uma pasta que envolve e adere aos agregados,
possibilitando sua moldagem em diversas formas (BENETTI, 2007). Os tipos de produtos do
cimento são descritos a seguir:
PASTA = CIMENTO + ÁGUA
ARGAMASSA = PASTA + AGREGADO MIÚDO
CONCRETO = ARGAMASSA + AGREGADO GRAÚDO
CONCRETO ARMADO = CONCRETO + ARMADURA PASSIVA
CONCRETO PROTENDIDO = CONCRETO + ARMADURA PASSIVA E ATIVA
O concreto pode ser moldado de acordo com as necessidades de cada local quando em seu
estado fresco. Ao endurecer, torna-se uma pedra artificial. Após sua hidratação, o concreto
permite o trabalho por um período médio de 3 horas, começando a ganhar resistência após esse
período. Devido a essas características únicas, o concreto é o segundo material mais consumido
pela humanidade.
A resistência do concreto é função de três fatores importantes: resistência do agregado,
resistência da pasta e resistência da ligação entre pasta e agregado. Logo, o controle adequado
desses três fatores é importante para garantir a qualidade do concreto e sua perfeita aplicação
na obra em questão.
Na obtenção de um concreto de qualidade, é necessária a execução das operações de dosagem
dos materiais, mistura, transporte até o local da obra, lançamento, adensamento e cura. Se
qualquer uma dessas operações for mal executada, pode comprometer a qualidade do concreto
final, e consequentemente gerar riscos estruturais a obra (Petrucci (1968) apud Benetti (2007)).
A inclusão dos agregados nas argamassas e concretos traz vantagens técnicas e econômicas,
reduzindo o teor de pasta. E estas vantagens tornam-se maiores com o aumento da
granulometria do agregado. As vantagens técnicas decorrentes da redução do teor de pasta são
a diminuição das variações volumétricas (retração), a diminuição do calor de hidratação e a
menor suscetibilidade do material deteriorar-se pela ação de elementos agressivos. A vantagem
econômica é a redução do consumo de cimento.
23
De acordo com Benetti (2007), a qualidade e quantidade de água utilizada na elaboração do
concreto é muito importante. Ela está diretamente ligada a reação química que transforma o
cimento em uma pasta aglomerante. Influi nas resistências mecânicas em virtude de estar
relacionada com a porosidade do material. Pequenas quantidades de água conduzem à concretos
de consistência excessivamente seca e, portanto, sem trabalhabilidade para as aplicações usuais.
No entanto, o excesso de água poderá evaporar-se ou não com o tempo, mas a sua presença
criará em seu interior inúmeros poros e uma rede de canalículos interligando estes poros.
Quanto maior for esse acréscimo de água, menor a resistência.
O cimento Portland é um material de construção muito importante, com um vastíssimo campo
de aplicação. Consiste em um material pulverulento, constituído de silicatos e aluminatos de
cálcio, praticamente sem cal livre. Esses silicatos e aluminatos complexos, quando misturados
com água, hidratam-se e produzem o endurecimento da massa, obtendo elevada resistência
mecânica.
4.1.3. Composição do concreto simples
O concreto é um material composto, constituído por cimento, água, agregado miúdo (areia),
agregado graúdo (pedra ou brita) e ar. Além disso, pode conter adições de outros materiais
como cinza volante, pozolanas, sílica ativa, entre outros. Aditivos químicos também são
adicionados com a finalidade de melhorar ou modificar suas propriedades básicas. A seguir, na
figura 1, estão representados o cimento e os agregados do concreto.
24
Figura 1 - Cimento (A), agregado miúdo - areia (B), e agregado graúdo - pedra ou brita (C)
FONTE: Adaptado dos websites Sic, Infrasul e Eco-x.
4.1.3.1. Cimento
O cimento Portland foi descoberto na Inglaterra por volta do ano de 1824, sendo que a produção
industrial só foi iniciada em 1850. Consiste basicamente em um pó fino com propriedades
aglomerantes que endurece sob a ação da água. Depois do endurecimento, mesmo que seja
novamente submetido à ação da água, o cimento Portland não se decompõe mais. O cimento é
o principal elemento dos concretos e permite que o material chegue à composição final
desejada. De acordo com Melo (2012), o cimento Portland é composto de clínquer e adições.
O primeiro consiste no principal componente, presente em todos os tipos de cimento (figura 2).
O clínquer tem como matérias-primas básicas o calcário e a argila. Sua propriedade básica é o
fato de ser um ligante hidráulico, que endurece em contato com a água.
25
Figura 2 - Clínquer para a fabricação do cimento Portland
FONTE: Adaptado do website Design e Decor.
Melo (2012) menciona que o clínquer é obtido pela britagem e moagem de rocha calcária, que
posteriormente é misturada com argila moída. Essa mistura é submetida a um calor intenso de
até 1450° C. Logo após esse aquecimento, é bruscamente resfriada, formando pelotas (o
clínquer). Esse produto é moído e transforma-se em pó.
4.1.3.2. Agregados
Os agregados são materiais em forma de grãos e inertes que entram na composição das
argamassas e concretos. Compõem cerca de 70% do total de material presente no concreto,
ganhando uma importância significativa no composto (MELO, 2012). Os agregados, mesmo
presentes em parcelas significativas na composição do concreto, possuem um custo
relativamente baixo se comparado com os outros componentes.
Podem ser classificados quanto à origem em naturais e artificiais. Os naturais são aqueles
encontrados na natureza, como areias de rios e pedregulhos (também chamados de cascalho ou
seixo rolado) (figura 3). Os agregados artificiais são aqueles que passaram por algum processo
para obter as características finais, como as britas originárias da trituração de rochas e pó de
corte de rochas ornamentais.
26
Figura 3 - Areia natural a esquerda, e seixo rolado a direita
FONTE: Adaptado dos websites Brasipedra e Eco-x.
Os agregados necessariamente devem ser compostos por grãos de minerais duros, compactos,
duráveis e limpos. Não devem possuir substâncias estranhas que possam afetar a hidratação e
o endurecimento do cimento, a proteção da armadura contra a corrosão, a durabilidade ou,
quando for requerido, o aspecto visual externo do concreto (BORGES, 2007).
A forma e a textura dos agregados podem alterar significativamente sua área específica,
influenciando diretamente na ligação pasta-agregado. A resistência mecânica do concreto
aumenta consideravelmente quando as partículas tendem a forma cúbica (maior área específica
do que as arredondadas) e possuem textura superficial rugosa (importante nos esforços de tração
na flexão). O mesmo efeito é obtido quando se reduz a dimensão máxima característica do
agregado graúdo (BORGES, 2007).
Os agregados são classificados quanto às dimensões em miúdos (como as areias) e graúdos
(como as pedras ou britas). O agregado miúdo tem diâmetro máximo igual ou inferior a 4,8
mm, e o agregado graúdo tem diâmetro máximo superior a 4,8 mm.
4.1.3.3. Água
A água é muito importante para a produção do concreto. Ela possibilita as reações químicas do
cimento, chamada reações de hidratação, que irão garantir as propriedades de resistência e
durabilidade do concreto. Também permite a lubrificação das partículas para proporcionar o
manuseio do concreto. Normalmente a água potável é a mais indicada.
27
Em alguns casos, impurezas presentes na água podem prejudicar a pega do cimento ou a
resistência do concreto. Assim, a água potável é recomendada desde que isenta de açúcar e
nitratos. Água agressiva no amassamento do concreto não deve ser utilizada, pois os efeitos na
pega do cimento, na resistência do concreto e na corrosão das armaduras são prejudiciais
(BORGES, 2007).
4.1.4. Propriedades do concreto fresco
As principais características de um concreto fresco são a trabalhabilidade, consistência,
segregação e exsudação. O concreto é considerado fresco até o início da pega do aglomerante.
Assim, a qualidade final do concreto depende do controle das propriedades no estado fresco e
endurecido (BORGES, 2007).
De acordo com Borges (2007), o concreto com hidratação forma compostos que fazem com
que a pasta perca sua fluidez, deixando de ser moldável para pequenas cargas, se tornando
rígido. O início da pega de um aglomerante hidráulico consiste no período de solidificação da
pasta. É contado do momento do lançamento da água no aglomerante até o início das reações
químicas com os compostos. Esse fenômeno é caracterizado pelo aumento brusco da
viscosidade, elevando a temperatura da pasta.
4.1.4.1. Trabalhabilidade
Enquanto o concreto pode ser adensado com facilidade e lançado com ausência de segregação
ele é considerado trabalhável. Trabalhabilidade e consistência são as propriedades essenciais
do concreto (Neville (1997) apud Benetti (2007)).
Segundo Borges (2007), a trabalhabilidade é uma propriedade do concreto que influencia na
facilidade e a homogeneidade com a qual o material pode ser misturado, lançado, adensado e
acabado. A trabalhabilidade desejada é um parâmetro necessário para determinar a composição
da pasta, argamassa e agregados.
Obter um concreto com trabalhabilidade adequada não é função somente da quantidade de água
utilizada, depende da proporção adequada dos materiais e/ou de adições minerais e aditivos
28
químicos. O simples aumento de água pode levar à exsudação, à segregação, ou simplesmente,
a um aumento do abatimento (BORGES, 2007).
Dentre os diversos ensaios existentes, o que melhor determina a trabalhabilidade de um
concreto é o Slump Test. A seguir, a tabela 1 representa uma relação da trabalhabilidade com
esse tipo de ensaio.
Tabela 1 - Relação entre trabalhabilidade e abatimento do tronco de cone
TRABALHABILIDADE ABATIMENTO (mm)
Abatimento zero 0
Muito baixa 3 a 10
Baixa 10 a 30
Média 30 a 75
Alta 80 a 155
Muito alta 160 ao desmoronamento
FONTE: Adaptado de Neville (1997) apud Borges (2007).
Figura 4 - Medida do abatimento do tronco de cone
FONTE: Norma NBR NM 67/1996.
A norma NBR NM 67/1996 legisla sobre os procedimentos para a realização do ensaio do
abatimento do tronco de cone. Segundo esta norma é necessário umedecer o molde e a placa da
base. Durante a realização do ensaio, o operador deve se posicionar com os pés sobre as aletas
29
do molde, permitindo que este fique sempre estável. O preenchimento deve acontecer em três
camadas, sendo compactadas com 25 golpes. A placa da base deve ser limpa e o molde retirado.
Imediatamente após esta etapa, medir o abatimento do concreto determinando a diferença entre
a altura do molde e a altura do eixo do corpo de prova. A figura 4 ilustra o procedimento de
medida do abatimento.
4.1.4.2. Consistência
O maior ou menor grau de fluidez da mistura fresca que se relaciona com a mobilidade da massa
se traduzem na consistência, segundo Borges (2007). O principal fator que influencia nesse
parâmetro é o teor de água/materiais secos. A consistência, assim como a trabalhabilidade,
envolve considerações quanto à natureza da própria obra que está sendo executada.
4.1.4.3. Segregação
Neville (1997) apud Benetti (2007), define segregação como a separação dos materiais
envolvidos na mistura heterogênea do concreto, deixando sua distribuição de ser uniforme. As
diferenças de tamanho das partículas e das massas específicas dos constituintes da mesma são
as causas primárias da segregação. A principal forma de controle da segregação consiste no
controle da granulometria dos materiais constituintes.
Este mesmo autor define duas formas de segregação possíveis. Na primeira os fragmentos
maiores do agregado sedimentam-se mais do que as partículas menores, se afastando ao longo
dos declives. A segunda forma ocorre quando as misturas possuem uma grande quantidade de
água, permitindo que a pasta se desagregue. A primeira forma acontece com misturas pobres
(pouco cimento) e pouca quantidade de água, e a segunda ocorre quando há excesso de água.
4.1.4.4. Exsudação
Exsudação se traduz na tendência da água de amassamento vir à superfície do concreto recém-
lançado. De acordo com Benetti (2007), devido ao maior peso dos grãos de areia em relação à
água que os envolve, estes são forçados a uma sedimentação, resultando em um afloramento do
excesso de água expulso das porções inferiores. Como consequência desse fato, a superfície do
concreto torna-se excessivamente úmida, produzindo um concreto poroso e menos resistente.
30
4.1.5. Propriedades do concreto endurecido
Borges (2007) considera a resistência de um concreto como função da resistência da pasta de
cimento endurecida, do agregado e da ligação pasta-agregado. E esses parâmetros de resistência
dependem fundamentalmente do fator água/cimento. Com a diminuição desse fator a resistência
tende a aumentar, mas um mínimo de trabalhabilidade deve ser garantido.
4.1.5.1. Resistência à compressão
A resistência à compressão é uma característica do concreto muito importante. Pode ser
indiretamente utilizada como parâmetro para avaliação da durabilidade de um concreto. É uma
grandeza muito conhecida no meio técnico. Utilizada universalmente como parâmetro para a
avaliação da qualidade, sendo seu controle facilmente executável por um laboratório
devidamente equipado para tal finalidade (BORGES, 2007).
4.1.5.2. Módulo de elasticidade
Borges (2007) menciona o fato de o módulo de elasticidade ser fundamental no projeto de
estruturas de concreto. Consiste na relação entre o incremento de tensões e o incremento das
deformações. Estudos de Resistência dos Materiais mostram que a relação entre a tensão e a
deformação para determinados intervalos se mantém praticamente linear. O módulo de
elasticidade é um parâmetro que depende das características da pasta e dos agregados,
características da zona da interface pasta-agregados, idade do concreto, dentre outras.
4.1.5.3. Resistência à tração
A resistência à tração consiste na capacidade que o concreto tem em resistir a esforços
mecânicos de tração. Isto provoca um alongamento na direção da força aplicada. Há três ensaios
para quantificar a resistência à tração do concreto: resistência à tração direta, resistência à
compressão diametral e resistência à tração na flexão (BORGES, 2007).
31
4.1.6. Escolha dos materiais
A escolha do tipo de cimento usado na composição do concreto é muito importante. Ele vai
garantir características únicas a concretos específicos de cada obra, assegurando a qualidade e
segurança.
Os agregados, do mesmo modo, também são importantes na composição do concreto. O
agregado miúdo mais utilizado é a areia lavada. Normalmente são indicadas areias do tipo
médias a grossa para a composição do concreto. É fundamental para a dosagem que se conheça
a umidade e o inchamento da areia a ser usada. Já no agregado graúdo é importante o
conhecimento do diâmetro máximo e da umidade.
A água também tem papel importante. A qualidade deve ser considerada para a dosagem nos
concretos. No entanto, mais importante que isso, a quantidade empregada é um parâmetro que
merece destaque.
4.1.7. Dosagem de materiais
O cidadão comum considera o concreto como uma simples mistura de cimento, areia, pedra e
água. Porém, é visto no meio técnico como o resultado da combinação de cimento, agregado,
água, e em algumas situações aditivos, na proporção adequada. Em alguns casos, expressões
como dosagem e traço ainda confundem engenheiros e usuários do concreto (ASSUNÇÃO,
2002).
Ainda segundo este autor, determinar o traço não é uma tarefa simples, principalmente quando
não se tem em conta as questões relacionadas à qualidade, segurança, durabilidade e viabilidade
econômica da estrutura do concreto. Considerando estes aspectos, obter um traço que forneça
um concreto de boa qualidade vai além da simples mistura de seus constituintes básicos,
havendo a necessidade de se estabelecer o estudo da dosagem do concreto.
Dosar um concreto consiste basicamente em determinar qual a proporção adequada que cada
material (cimento, areia, brita e água) deve possuir na composição da mistura. Isto se traduz em
determinar o traço mais adequado para atender as condições específicas do projeto, utilizando
corretamente os materiais disponíveis.
32
As quantidades de cimento, areia e brita (ou cascalho) presentes em um concreto, quando
relacionadas ao peso de cimento, dão origem ao chamado traço. Através da definição do traço,
chega-se a concretos e argamassas com as propriedades desejadas. Quando os agregados são
relacionados em peso à unidade de peso de cimento, têm-se os traços unitários em peso. No
entanto, quando são relacionados em volume para um peso unitário de cimento, têm-se traços
unitários em volume.
A dosagem de materiais para a preparação do concreto é muito importante para garantir a
qualidade do material, além de evitar desperdícios com os componentes na preparação com
quantidades incorretas. No Brasil existem alguns métodos que se encarregam dessa dosagem.
Entre eles, pode-se citar o método de dosagem de concreto do Instituto Nacional de Tecnologia
do Rio de Janeiro (INT), o método do Instituto Tecnológico do Estado do Rio Grande do Sul
(ITERS), o método do Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT), e o
método da Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP), dentre outros. Este último foi
o método utilizado neste trabalho, e por isso sua forma de dosagem será descrita a seguir.
No método da ABCP, a determinação da resistência de dosagem é necessária para a obtenção
da relação água/cimento, que permite o cálculo do traço. Normalmente, em projetos de
construção civil define-se para o concreto uma resistência de projeto, necessária para suportar
os esforços de trabalho, denominada resistência característica à compressão do concreto (fck).
A resistência do concreto final, porém, deve ser maior que esse valor por questões de segurança,
evitando que a estrutura se encontre no limite, sujeita ao rompimento a qualquer momento.
Logo, surge daí outro conceito importante, denominado resistência à compressão do concreto,
(fcj).
A norma NBR 12655/2006 estabelece que o cálculo da resistência à compressão do concreto
deve proceder da seguinte maneira:
𝑓𝑐𝑗 = 𝑓𝑐𝑘 + 1,65 ∗ 𝑆𝑑 (1)
Essa equação se baseia na distribuição de Gauss para resistência a compressão do concreto,
onde fcj é à resistência a compressão do concreto (MPa) na idade de normalmente 28 dias (fc28),
fck é a resistência característica à compressão do concreto (MPa) e Sd é o desvio padrão de
dosagem (MPa).
33
De acordo com a norma NBR 12655/2006, o desvio padrão de dosagem (Sd) avalia as variações
decorrentes das etapas de produção do concreto, sendo seus valores atribuídos em função da
condição de preparo apresentadas na tabela 2.
Tabela 2 - Valores do desvio padrão de dosagem em função das condições de preparo
CONDIÇÕES DE PREPARO
DO CONCRETO
DESCRIÇÃO VALOR DO Sd
ADOTADO
Condição A
O cimento e os agregados são medidos em massa, a água
de amassamento é medida em massa ou volume com
dispositivo dosador e corrigida em função da umidade
dos agregados.
4,0 MPa
Condição B
O cimento é medido em massa, a água de amassamento é
medida em volume mediante dispositivo dosador e os
agregados medidos em massa combinada com volume.
5,5 MPa
O cimento é medido em massa, a água de amassamento é
medida em volume mediante dispositivo dosador e os
agregados medidos em volume. A umidade do agregado
miúdo é determinada pelo menos três vezes durante o
serviço do mesmo turno de concretagem. O volume do
agregado miúdo é corrigido através da curva de
inchamento estabelecida especialmente para o material
utilizado.
Condição C
O cimento é medido em massa, os agregados são
medidos em volume, a água de amassamento é medida
em volume e a sua quantidade é corrigida em função da
estimativa da umidade dos agregados e da determinação
da consistência do concreto, conforme disposta na NBR
7273, ou outro método normalizado.
7,0 MPa
FONTE: Adaptado da norma NBR 12655/2006.
Assunção (2002) procede à determinação da relação água/cimento por meio do auxílio de
gráficos (figura 5) após a obtenção da resistência à compressão do concreto com idade de 28
dias.
34
Figura 5 - Gráfico para a determinação da relação água/cimento (a/c) em função das resistências do concreto e
do cimento aos 28 dias de idade
FONTE: Rodrigues (1998) apud Assunção (2002).
Figura 6 - Resistência média a compressão do cimento em função da relação água/cimento para os cimentos do
tipo CP 32
FONTE: Helene e Terzian (1993) apud Assunção (2002).
Helene e Terzian (1993) apud Assunção (2002) sugerem outra forma de obtenção da relação
água/cimento. Isto pode ser feito com o auxílio de curvas determinadas experimentalmente para
os cimentos nacionais (figura 6), que correlacionam a resistência à compressão e a relação
água/cimento.
35
Para a determinação do consumo de água do concreto é necessário um valor para o abatimento
do tronco de cone. A tabela 3 auxilia na obtenção de um valor inicial para o abatimento de
acordo com a finalidade do concreto. Porém, durante a preparação do concreto, o ensaio de
abatimento do tronco de cone é necessário para verificar se o valor estipulado inicialmente foi
atingido. Caso não seja, deve ser adicionado água ou cimento, dependendo da situação, com a
consequente correção do traço.
Tabela 3 - Consistência do concreto em função do elemento estrutural para o caso do adensamento mecânico
TIPO DE CONSTRUÇÃO ABATIMENTO (mm)
POUCO ARMADA MUITO ARMADA
Laje ≤ 60 ± 10 ≤ 70 ± 10
Viga e parede armada ≤ 60 ± 10 ≤ 80 ± 10
Pilares de edifício ≤ 60 ± 10 ≤ 80 ± 10
Paredes de fundação, sapatas, tubulões ≤ 60 ± 10 ≤ 70 ± 10
FONTE: Adaptado de Helene e Terzian (1993) apud Assunção (2002).
Rodrigues (1998) apud Assunção (2002), diante da dificuldade de expressar o consumo de água
na mistura por meio de uma lei matemática, propõe uma estimativa inicial do consumo por
metro cúbico de concreto (tabela 4).
Tabela 4 - Estimativa do consumo de água por metro cúbico de concreto
ABATIMENTO DO TRONCO DE CONE
DIMENSÃO MÁXIMA CARACTERÍSTICA DO AGREGADO GRAÚDO
9,5 mm 19 mm 25 mm 32 mm 38 mm
40 – 60 mm 220 l/m3 195 l/m3 190 l/m3 185 l/m3 180 l/m3
60 – 80 mm 225 l/m3 200 l/m3 195 l/m3 190 l/m3 185 l/m3
80 – 100 mm 230 l/m3 205 l/m3 200 l/m3 200 l/m3 190 l/m3
FONTE: Adaptado de Rodrigues (1998) apud Assunção (2002).
Com a estimativa do consumo de água por metro cúbico de concreto e com a relação
água/cimento definida é possível realizar a estimativa do consumo de cimento de acordo com
a equação seguinte:
𝐶 =𝐶𝑎
(𝑎/𝑐) (2)
36
Onde:
C = Consumo de cimento por metro cúbico de concreto (kg/m3)
Ca = Consumo de água por metro cúbico de concreto (l/m3)
(a/c) = Relação água/cimento (l/kg)
Segundo Assunção (2002), o método de dosagem da ABCP permite a obtenção de misturas
com uma determinada consistência, proporcionando o menor volume de vazios possíveis. O
princípio é colocar na mistura o máximo volume de agregado compactado seco por metro
cúbico de concreto. A tabela 5 apresenta valores determinados experimentalmente pela ABCP.
Tabela 5 - Volume compactado seco (Vag) de agregado graúdo por metro cúbico de concreto
MÓDULO DE FINURA DA AREIA
DIMENSÃO MÁXIMA CARACTERÍSTICA DO AGREGADO GRAÚDO
9,5 mm 19 mm 25 mm 32 mm 38 mm
1,8 0,645 0,77 0,795 0,82 0,845
2,0 0,625 0,75 0,775 0,8 0,825
2,2 0,605 0,73 0,755 0,78 0,805
2,4 0,585 0,71 0,735 0,76 0,785
2,6 0,565 0,69 0,715 0,74 0,765
2,8 0,545 0,67 0,695 0,72 0,745
3,0 0,525 0,65 0,675 0,7 0,725
3,2 0,505 0,63 0,655 0,68 0,705
3,4 0,485 0,61 0,635 0,66 0,685
3,6 0,465 0,59 0,615 0,64 0,665
FONTE: Adaptado de Rodrigues (1998) apud Assunção (2002).
A estimativa de consumo de agregado graúdo por metro cúbico de concreto pode ser dado pela
equação seguinte (ASSUNÇÃO, 2002):
𝐶𝑎𝑔 = 𝑉𝑎𝑔 ∗ 𝑀𝑎𝑔 (3)
Onde:
Cag = Consumo do agregado graúdo por metro cúbico de concreto (kg/m3)
Vag = Volume compactado seco do agregado graúdo por m3 de concreto
Mag = Massa unitária compactada do agregado graúdo por m3 de concreto (kg/m3)
37
Quando não for possível determinar a massa unitária compactada do agregado graúdo, o valor
de 1500 kg/m3 deve ser adotado.
A NBR 7211/2009 orienta na obtenção do módulo de finura para os agregados. Baseia-se na
soma das porcentagens retidas acumuladas das peneiras da série normal, dividida por 100. Além
disso, estabelece que o diâmetro máximo corresponda à abertura de malha da menor peneira
cuja porcentagem retida acumulada seja ≤ 5 %. A tabela 6 apresenta duas séries normalizadas
de peneiras para agregados de acordo com a NBR 7211/2009.
Tabela 6 - Série de peneiras para agregados
SÉRIE ABERTURA DA MALHA QUADRADA (mm)
Normal 0,15 – 0,30 – 0,60 – 1,20 – 2,40 – 4,8 – 9,50 – 19,0 – 38,0 – 76,0
Intermediária 6,30 – 12,5 – 25,0 – 32,0 – 50,0 – 64,0
FONTE: Adaptado da norma NBR 7211/2009.
De acordo com Assunção (2002), o volume de agregado miúdo para um metro cúbico de
concreto pode ser dado pela equação (4) e seu consumo pela equação (5).
𝑉𝑎𝑚 = 1 − (𝐶
𝛾𝑐+
𝐶𝑎𝑔
𝛾𝑎𝑔+
𝐶𝑎
𝛾𝑎) (4)
Onde:
Vam = Volume de agregado miúdo por metro cúbico de concreto (m3)
γc, γag, γa = Massa específica do cimento, agregado graúdo e da água, respectivamente
𝐶𝑎𝑚 = 𝛾𝑎𝑚 ∗ 𝑉𝑎𝑚 (5)
Onde:
Cam = Consumo do agregado miúdo (areia) por metro cúbico de concreto (kg/m3)
γam = Massa específica do agregado miúdo (areia) (kg/m3)
O traço pode ser apresentado de acordo com a expressão (6) seguinte:
38
1,0 ∶𝐶𝑎𝑚
𝐶∶
𝐶𝑎𝑔
𝐶∶ (𝑎
𝑐⁄ ) (6)
Figura 7 - Relação entre resistência à compressão (porcentagem da resistência aos 28 dias e curada a 21ºC) e
maturidade
FONTE: Adaptado de Rodrigues (1983).
O valor do traço é calculado com base em um valor de resistência que o concreto tem que
alcançar com 28 dias. Em idades menores, possuirá uma resistência mais baixa. Este fato é
traduzido no gráfico apresentado na figura 7. Este considera a maturidade em função do tempo
transcorrido em dias ou horas (t) e da temperatura de cura (θ).
4.2. AGLOMERAÇÃO
O setor de mineração, além de outros ramos da indústria, consiste em uma atividade que gera
partículas finas. Tal fato acontece devido aos próprios meios de extração e concentração que
são empregados. E essas partículas, em determinadas etapas do processo, não podem ser
recuperadas, sendo descartadas, na maioria dos casos, como rejeito. Além disso, partículas
extremamente finas podem entrar em suspensão no ar, causando uma série de impactos
ambientais.
39
A aglomeração é uma tecnologia importante na recuperação de resíduos, principalmente finos,
provenientes de diversos locais, sendo a mineração um importante gerador dessas partículas.
Assim, a aglomeração permite que materiais que antes eram descartados em barragens de
rejeitos sejam utilizados com outras finalidades, diminuindo passivos ambientais do
empreendimento e gerando uma receita secundária com a venda desses produtos.
Segundo Sampaio et al. (2007), a aglomeração é uma tecnologia que permite transformar
materiais com granulometrias inadequadas ao processo em corpos, ou fragmentos coesos, com
tamanho e formas adequados, utilizando para isso mecanismos físicos ou químicos.
Em alguns casos, a aglomeração é considerada uma ferramenta ambiental. As aciarias são um
ramo da indústria que geram grandes quantidades de resíduos na fabricação do aço. Porém, a
aglomeração permitiu que estes fossem reaproveitados com outras finalidades, e não
descartados gerando danos ambientais. A escória, por exemplo, é utilizada como matéria-prima
para a indústria cimenteira e de construção civil. Além disso, pós, lamas e carepas são
aglomerados e devolvidos ao alto forno (BAGATINI, 2011). No entanto, essa tecnologia
também pode ser utilizada em outros locais, com finalidades diferentes, mas sempre tendo como
foco questões ambientais, escassez de matéria prima e redução de custos.
Objetivando situar o leitor no contexto geral da aglomeração, o texto seguinte busca conceituar
tecnologias importantes como a briquetagem, pelotização e sinterização. Dentro desses tópicos,
serão abordados conceitos, processos e, em alguns casos, equipamentos utilizados. Estas
técnicas são métodos de aproveitamento dos finos de magnetita que permitem que estes sejam
usados como matéria-prima no revestimento de asfalto e no alto-forno para a produção de aço.
4.2.1. Briquetagem
A briquetagem surgiu em 1848, nos Estados Unidos, quando Willian Easby conseguiu a patente
de um processo que permitia a formação de aglomerados a partir de finos de carvão mineral.
Mas, somente no final do século XIX, a briquetagem passou a ser utilizada em grande escala
nos Estados Unidos para a aglomeração de finos de carvão mineral, fato possível devido à crise
econômica.
40
Segundo Carvalho e Brinck (2010), no Brasil a briquetagem teve início na década de 60 quando
a Companhia Siderúrgica Belgo Mineira (CSBM) utilizou processos de briquetagem para a
aglomeração de finos de carvão vegetal. Em 1965, a Companhia Brasileira de Briquetes passou
a aglomerar finos de carvão vegetal para uso industrial e doméstico, além de trabalhar na
fabricação de máquinas e instalações de briquetagem.
A briquetagem consiste na aglomeração de partículas finas por meio de pressão, com o auxílio
ou não de um aglutinante, obtendo um produto compacto, com forma, tamanho e parâmetros
mecânicos adequados. A redução de volume do material, em alguns casos, traz benefícios
tecnológicos e permite que materiais finos possam ser transportados e armazenados de forma
mais econômica (CARVALHO e BRINCK, 2010).
O processo de briquetagem é uma tecnologia muito importante atualmente. Permite a
recuperação de rejeitos industriais (lixo biológico, plástico, finos de carvão mineral e vegetal,
entre outros), podendo ser utilizados como matéria-prima ou fonte de energia. Como principal
material briquetado nos dias atuais destaca-se o carvão mineral.
A briquetagem também é uma técnica muito empregada na aglomeração de biomassa
proveniente de resíduos agroindustriais (cascas de arroz, bagaço de cana, serragem e caroço de
açaí, por exemplo) para a geração de energia por meio da gaseificação desse material. A
biomassa em forma de briquetes aumenta bastante à eficiência energética da gaseificação. E
isso acontece devido à forma e granulometria adequada ao processo.
Segundo Rosário (2011), o Brasil apresenta condições favoráveis para o mercado de briquetes
devido a uma série de fatores. Dentre estes temos as altas concentrações localizadas de resíduos
vegetais, especialmente nas indústrias madeireira e agroalimentar, reduzindo os custos de coleta
e transporte, e permitindo a instalação de plantas de briquetagem próximas a esses locais; a
forte demanda de combustíveis sólidos (lenha e carvão vegetal), resultantes de programas
políticos de valorização dos recursos energéticos nacionais e restrições ambientais para a
exploração de madeira.
A política energética brasileira pressupõe a ampliação da substituição do combustível
importado por energia de fontes renováveis, sendo de interesse estratégico não só diversificar
essas fontes, como também possibilitar o uso correto de suas potencialidades. Portanto, nesse
41
contexto, podemos considerar o reaproveitamento da biomassa proveniente da agroindústria
como sendo uma alternativa para a substituição do combustível importado. Logo, a briquetagem
se torna uma tecnologia importante para garantir o sucesso desse reaproveitamento.
A umidade é um fator importante quando mencionamos a briquetagem. Deve ser
adequadamente controlada para garantir a perfeita execução do processo de briquetagem,
permitindo a obtenção de um produto com as características desejadas. Além disso, as variáveis
operacionais também influenciam consideravelmente na qualidade final dos briquetes. Logo,
um criterioso ajuste é importante.
Segundo Carvalho e Brinck (2010), a etapa de secagem dos briquetes, seja em temperatura
ambiente, estufas ou fornos, permite que estes adquiram uma resistência mecânica desejada.
Isso vai depender da finalidade para qual o briquete é produzido. Quando necessitamos de
briquetes com baixa resistência mecânica, podemos utilizar o endurecimento dos mesmos à
temperatura ambiente. Caso contrário, podemos executar a secagem em temperaturas
superiores à ambiente, onde as próprias impurezas do material proporcionam a ligação das
partículas, agindo como uma espécie de cimento. E essas ligações podem ser realizadas por
meio de processos de:
i. Fusão insipiente do constituinte principal;
ii. Difusão e recristalização do constituinte principal;
iii. Escorificação ou reação química;
iv. Endurecimento ou cristalização do constituinte principal.
Os briquetes formados devem possuir resistência à compressão, parâmetro importante para
garantir a qualidade do produto. Isto garante que o produto está apto ao manuseio,
empilhamento e transporte. Uma resistência de 3,57 kg/cm2 é considerada como um valor ideal.
4.2.1.1. Briquetagem com aglomerantes
Quando o material a ser aglomerado não possui resistência à compressão e ao impacto, após a
compactação, utilizamos os aglomerantes. São responsáveis por uma maior adesão das
partículas finas, e também podem aumentar ou diminuir as propriedades coqueificantes do
material a ser briquetado. Os aglomerantes normalmente são divididos de acordo com sua
42
função na mistura, podendo ser do tipo: matriz, filme ou aglomerantes químicos (CARVALHO
e BRINCK, 2010).
Segundo Bagatini (2011), o aglomerante pode ser de natureza orgânica ou inorgânica. Entre os
orgânicos destacam-se o melaço, amidos e resinas. Cimento, bentonita, cal e escória são os
aglomerantes inorgânicos de maior uso.
Quando pensamos em briquetes de carvão vegetal, normalmente é utilizado um aglomerante
para facilitar a manutenção do empacotamento. Em princípio, qualquer adesivo pode ser
utilizado como aglomerante, sendo a escolha feita em função do gasto e da qualidade final
desejada. Em alguns casos, dependendo do uso final, os briquetes não devem ser
confeccionados com aglutinantes poluentes, emissores de fumaça, entre outros. Portanto, a
escolha adequada do aglomerante é fundamental no processo de briquetagem.
Vários materiais são briquetados com aglomerantes. Briquetes de concentrados de minério de
ferro, de cromita e de fluorita são obtidos com um aglomerante que consiste de cal e melaço,
ou com silicato de sódio. O cimento Portland é usado como um aglomerante para bauxita,
enquanto que os aglomerantes de lignosulfonato (resíduo da indústria papeleira) são usados
para minérios de cobre e para magnesita. Misturas de vidros, água e barrilha, feitas em batelada,
formam um aglomerante para areia silicosa (SAMPAIO et al., 2007).
Dentre os tipos de aglomerantes existentes, cada um possui características individuais, sendo
empregados em casos específicos. Assim, é importante escolher o aglomerante certo para o
caso em questão, pois isso pode garantir a qualidade final do briquete. A seguir são apresentadas
duas tabelas que mostram alguns tipos de aglomerantes existentes, e quais são utilizados em
determinados casos de aglomeração de finos.
Tabela 7 - Diferentes tipos de aglomerantes
TIPO MATRIZ TIPO FILME AGLOMERANTES QUÍMICOS
Alcatrão Água Ca(OH)2 + melaço
Asfalto de Petróleo Silicato de sódio Silicato de sódio + CO2
Cimento Portland Lignosulfonatos Epóxies
FONTE: Adaptado de Carvalho e Brinck (2010).
43
Tabela 8 - Alguns aglomerantes utilizados na briquetagem de partículas finas
MATERIAL AGLOMERANTE
Minério de ferro Cal e melaço
Cromita Cal e melaço
Fluorita Cal, melaço ou silicato de sódio
Bauxita Cimento Portland
Carvão Melaço
Cobre Lignosulfonatos
Magnesita Lignosulfonatos
Areia de quartzo Água e NaOH
Barita Melaço e Black-ash
FONTE: Adaptado de Carvalho e Brinck (2010).
Os aglomerantes do tipo matriz provocam um embutimento das partículas dentro de uma fase
substancialmente contínua, sendo as propriedades dos briquetes determinadas pelas
características do aglomerante. Os do tipo filme apresentam função parecida com as colas
adesivas, dependendo da evaporação da água ou de algum solvente para desenvolver maior
resistência mecânica. Já os aglomerantes químicos podem ser utilizados tanto como matriz, ou
filme (CARVALHO e BRINCK, 2010).
4.2.1.2. Briquetagem sem aglomerantes
A produção de briquetes sem o uso de aglomerantes é extremamente dependente da forma que
ocorreu a cominuição ou a deformação plástica das partículas. Tal fato deve-se à necessidade
das partículas estarem situadas o mais próximo possível umas das outras, compensando assim
a ausência de uma substância aglomerante. Vários materiais orgânicos e inorgânicos podem ser
briquetados sem a utilização de aglutinantes (MOTA, 2009). Carvalho e Brinck (2010)
destacam que os cristais desses materiais são mantidos unidos por forças não necessariamente
fortes, nem específicas, fazendo apenas com que os cristais individuais estejam suficientemente
próximos uns dos outros.
Mota (2009) destaca como variáveis importantes na briquetagem sem aglomerantes a umidade
do material, capacidade de compreensão das partículas, porosidade do briquete e o tratamento
térmico posterior à briquetagem.
44
Segundo Carvalho e Brinck (2010), quando pensamos na aglomeração de finos de carvão, o
uso ou não do aglomerante depende principalmente do tipo de carvão utilizado. Na briquetagem
de carvões betuminosos, a necessidade de aglomerantes é muito rara, enquanto que nos carvões
semi-betuminosos, a utilização do aglomerante é comum.
Mesmo que a grande maioria dos processos de briquetagem sem aglomerantes utilize baixas
pressões para a compactação, na produção de briquetes de óxido de cálcio e hidróxido de
magnésio torna-se necessária a utilização de pressões mais elevadas. A utilização de
lubrificantes (água, grafite e outros) para redução do atrito entre as partículas e também entre
os briquetes e os rolos é comum nos processos de briquetagem (CARVALHO e BRINCK,
2010).
4.2.1.3. Briquetagem a quente
Este processo de briquetagem é utilizado quando o material a ser aglomerado possui elevada
resistência mecânica. Com a elevação da temperatura do material, o regime plástico pode ser
alcançado, o que permite o uso de pressões menores na compactação. O limite máximo da
temperatura utilizada dependerá da temperatura de fusão das partículas em conjunto (MOTA,
2009).
De acordo com Carvalho e Brinck (2010), a briquetagem a quente é fortemente influenciada
pelo tratamento térmico utilizado após a compactação. Alguns materiais necessitam de
resfriamento lento em tambores de modo a recuperar parte de seu calor sensível. Esse processo
é utilizado para permitir que a recristalização do briquete aconteça, aliviando as tensões internas
geradas durante a deformação plástica.
Com a utilização do processo de briquetagem a quente é possível reciclar, de maneira
econômica, resíduos de metais oriundos de vários processos (figura 8). Esses resíduos são
aquecidos e encaminhados para a prensa do tipo rolo. Após a compactação, os briquetes são
imediatamente resfriados em água. Uma vantagem importante da briquetagem de resíduos
metálicos é a ausência de óleo no briquete do metal, o que evita a formação de fumaça durante
a queima nos fornos (CARVALHO e BRINCK, 2010).
45
Figura 8 - Alguns resíduos metálicos e os respectivos briquetes
FONTE: Adaptado de Carvalho e Brinck (2004).
4.2.1.4. Processo de briquetagem
Durante o processo de aglomeração de partículas finas em prensas, as forças de atração
molecular de Van der Waals apresentam forte influência na união das partículas. Entretanto,
somente quando a distância entre as partículas é reduzida pela ação de uma força externa
elevada é que elas se tornam efetivas (CARVALHO e BRINCK, 2010).
Ainda segundo Carvalho e Brinck (2010), temos três processos que são utilizados na aplicação
da pressão externa ao material a ser briquetado, descritos a seguir:
i. Briquetagem em prensas de rolos (figura 9). Neste processo o material flui
continuamente entre dois rolos paralelos, com cavidades em sua superfície, que são
rigidamente ajustados, e giram com velocidade constante e em sentido contrário;
ii. Briquetagem por extrusão contínua em máquinas do tipo maromba;
46
iii. Briquetagem em prensas hidráulicas, em que os moldes são preenchidos, de forma
intermitente.
Figura 9 - Princípio da compressão em prensa de rolos
FONTE: Carvalho e Brinck (2004).
Atualmente o processo mais utilizado para briquetagem de material que necessita ser
aglomerado é aquele realizado em prensa de rolos. Assim, este trabalho descreverá as etapas do
processo de briquetagem nesse equipamento, abordado a seguir.
4.2.1.4.1. Preparação
Pereira (2009) menciona que na etapa de preparação determinam-se as características do
material a ser briquetado e o equipamento que será utilizado para tal fim. Além disso, a máxima
pressão a ser aplicada e a taxa de compactação que o material requer são parâmetros importantes
para definir a quantidade de aglomerante utilizado.
O conhecimento do coeficiente de atrito do material é importante nesta etapa e permite gerar
uma previsão do comportamento do mesmo, no momento da saída dos rolos e, também, se a
superfície dos briquetes úmidos poderá ser ou não danificada durante a queda. A quantidade de
aglomerante necessário vai depender da qualidade do material a ser briquetado, do aglomerante
utilizado, da superfície específica do material e da quantidade de partículas finas ou grossas da
47
mistura. Essa quantidade diminui quando a quantidade de partículas finas também cai. A
umidade do material antes da adição do aglomerante é outro fator importante. Vai depender do
material e do tipo de aglutinante utilizado, além de influenciar na pressão a ser aplicada
(CARVALHO e BRINCK, 2010).
4.2.1.4.2. Mistura
A mistura deve ser realizada com uniformidade na distribuição do aglomerante no material a
ser briquetado, efetuando-se homogeneização da mistura. O dimensionamento desse
equipamento para realizar a mistura é muito importante e dependerá do tempo de residência do
material. Se o material necessitar de tratamento térmico, este poderá ser realizado no próprio
equipamento através de vapores saturados e superaquecidos (PEREIRA, 2009).
Se a mistura não foi suficientemente seca no condicionador entre o misturador e a prensa, os
gases presos nos briquetes podem sofrem uma forte compressão. Logo, quando os briquetes
deixarem a prensa e a pressão for relaxada, os gases irão se expandir causando o aparecimento
de fraturas nos briquetes. Além disso, no manuseio de materiais com pequena densidade
aparente, torna-se necessária a remoção dos grandes volumes de ar antes da alimentação do
material na unidade de compactação, evitando posteriores aparecimentos de fraturas no briquete
(CARVALHO e BRINCK, 2010).
4.2.1.4.3. Compactação
Essa etapa é realizada pela passagem do material em meio a dois rolos dispostos paralelamente.
Estes podem possuir cavidades ao longo de sua superfície, dispostas simetricamente em ambos
os rolos, o que permite que o material adquira o formato dessas cavidades, se tornando um
briquete. Estes rolos giram paralelamente e em sentido contrário. Quando não possuem
cavidades em sua superfície, o resultado da compactação do material é uma espécie de barra.
A pressão no material acontece quando as duas cavidades dos dois rolos se encontram. Quando
a distância entre elas é mínima, a pressão atinge seu ápice. Antes de chegar a esse ponto, a
pressão aumenta progressivamente, e depois desse ponto, cai bruscamente com a saída do
briquete do equipamento.
48
De acordo com Carvalho e Brinck (2010), a forma das cavidades do equipamento e,
consequentemente, do briquete, é função da susceptibilidade do material à compactação.
Quando o material apresenta dificuldade de compactação, são utilizadas formas arqueadas,
eliminando o plano de divisão dos briquetes, o que proporciona uma distribuição mais uniforme
da pressão.
Experimentalmente foi determinado que a força mínima de compressão exercida pelos rolos,
para um determinado material, depende de características do material, do diâmetro dos rolos, e
da forma e tamanho do briquete que será produzido. Assim, para um diâmetro de rolo de 1.000
mm, a pressão de compressão pode variar de 10 a 140 kN/cm2 (CARVALHO e BRINCK,
2010). A tabela 9 representa algumas pressões de compressão para alguns materiais.
Tabela 9 - Força necessária para compressão de materiais em uma prensa com rolo de 1000 mm de diâmetro
MATERIAL PRESSÃO DE COMPACTAÇÃO ESPECÍFICA
Carvão mineral 10 a 30
Material cerâmico 40
Sal gema 60 a 80
Fertilizantes (com uréia) 40 a 60
Adubo (s/ fosfato e escória Thomas) 50 a 80
Adubo (c/ fosfato e escória Thomas) ≥ 80
Cal nitrogenada 60
Cloreto de potássio (120º C) 50
Cloreto de potássio (20º C) 70
Sulfato de potássio (70 – 100º C) 70
Gipsita 95
MgO (fria e aquecida) 110 a 130
Cal virgem 130
Ferro esponja 130 a 140
Minérios (aquecidos, sem aglutinantes) 120 a 140
FONTE: Adaptado de Carvalho e Brinck (2010).
De acordo com Sampaio et al. (2007), em laboratório a mistura do material a ser briquetado e
do aglomerante deve ser feita de modo a se obter um produto homogêneo. Após esta etapa, a
mistura deve ser levada a uma prensa de pistão de laboratório. A quantidade do material
depende da sua densidade, sendo que para o carvão é utilizado 6 g do mineral, e para o minério
de ferro cerca de 10 g. Em seguida, pode-se aplicar uma pressão de 1.000 kgf observando a
consistência do aglomerado, podendo-se aumentar gradativamente a pressão até 4.000 kgf.
49
4.2.1.4.4. Tratamento térmico
Essa etapa é muito importante para garantir a qualidade do briquete. Segundo Carvalho e Brinck
(2010), o tratamento térmico é utilizado para evitar a fratura devida a choques térmicos. Logo,
após o processo de produção os briquetes devem ser imediatamente aquecidos, e em seguida
resfriados lentamente, segundo uma velocidade controlada.
4.2.1.5. Equipamentos de briquetagem
O equipamento mais utilizado para a briquetagem de materiais finos é a prensa de rolos. É um
equipamento bastante simples em sua construção e robusto. Constituída de um sistema de
alimentação, um par de rolos, um sistema hidráulico que permite o ajuste da distância entre os
rolos e consequentemente da pressão no material, e um sistema motor-redutor que permite o
movimento do equipamento (CARVALHO e BRINCK, 2010). Ainda segundo esse autor, as
principais características desse equipamento são:
i. Tamanho dos rolos;
ii. Forma, tamanho e números de cavidades na superfície dos rolos;
iii. Força de compressão específica máxima dos rolos;
iv. Velocidade de rotação dos rolos.
Nas prensas mais antigas os eixos dos rolos eram dispostos sempre na horizontal, sendo os
centros fixos na estrutura. A alimentação se dava por gravidade. Atualmente, os equipamentos
possuem um dos rolos fixo na estrutura, enquanto o outro rolo é móvel com o movimento
limitado por cilindros hidráulicos. Anteparos localizados entre os blocos suspensos impedem
que os rolos entrem em contato, permitindo a passagem do material que se deseja aglomerar
(CARVALHO e BRINCK, 2010).
Ainda segundo esse autor, os novos equipamentos são bastante eficientes se comparados aos
antigos. E tal fato se deve principalmente à capacidade do sistema hidráulico em administrar a
inclinação da curva força-deslocamento do rolo, de acordo com as necessidades do processo de
briquetagem.
Os rolos, parte fundamental no equipamento de prensagem, podem ser classificados em
integrais, sólidos ou segmentados. Todos apresentam cavidades que dão forma aos briquetes. É
50
comum os rolos apresentarem uma faixa de aço inoxidável, ou de algum material resistente à
abrasão ou à corrosão, soldada à sua circunferência ou superfície de trabalho (CARVALHO e
BRINCK, 2010).
Os rolos integrais podem ser utilizados para a briquetagem de produtos farmacêuticos ou
alimentícios quando não apresentam juntas ou superfícies unidas (figura 10). Isso evita que haja
aglomeração de materiais em regiões de difícil limpeza. Estes tipos de rolos podem ser
facilmente aquecidos ou resfriados com água. Porém, não é recomendada a sua utilização na
compactação de materiais abrasivos (CARVALHO e BRINCK, 2010).
Figura 10 - Rolos integrais com revestimento de uma liga especial
FONTE: Carvalho e Brinck (2004).
Figura 11 - Rolos sólidos, com possibilidade de substituição das tiras que dão forma aos briquetes
FONTE: Carvalho e Brinck (2010).
51
De acordo com Carvalho e Brinck (2010), um grande número de equipamentos utilizam rolos
do tipo sólidos, os quais apresentam anéis substituíveis chavetados ou ajustados ao eixo.
Enquanto os rolos integrais precisam de materiais específicos para sua construção, os rolos
sólidos e os seus eixos podem ser fabricados com diferentes tipos de materiais, apenas com a
condição que seja resistente à corrosão e à abrasão (figura 11).
Os rolos segmentados (figura 12) são compostos por uma série de partes, presos mecanicamente
aos eixos. São recomendados para briquetagem à quente ou de materiais abrasivos, isso porque
se houver o desgaste do mesmo, apenas algumas partes do rolo podem ser substituídas, não
sendo necessária a troca do rolo inteiro. Da mesma forma que os rolos sólidos, podem ser
produzidos com o material que mais se adapte ao processo (CARVALHO e BRINCK, 2010).
Figura 12 - Rolos segmentados para aplicação em materiais abrasivos
FONTE: Carvalho e Brinck (2010).
Alguns aspectos devem ser levados em consideração na construção mecânica dos rolos. Entre
eles temos a confiabilidade, facilidade de manutenção e os custos de operação. O efeito que os
rolos exercem sobre o material a ser aglomerado depende, acima de tudo, da geometria do
mesmo (CARVALHO e BRINCK, 2010).
Carvalho e Brinck (2010) mencionam que quando o processo de briquetagem é realizado com
material que necessita a adição de aglomerantes, a alimentação da prensa deve ser realizada
52
com um alimentador por gravidade. Porém, quando o material não utiliza aglomerante e se
encontra bastante seco e com grande quantidade de finos, a alimentação na prensa deve
acontecer com o auxílio de alimentadores tipo rosca ou broca.
4.2.2. Pelotização
De acordo com Campos e Campos (2010), quando consideramos minério de ferro, material em
que o emprego deste processo é muito utilizado, pelotização consiste na mistura úmida de finos
desse minério na fração menor que 0,149 mm com quantidades pré-definidas de aglomerante,
óxidos básicos, e energéticos, seguida de rolamento em disco ou tambor, que pela ação da
tensão superficial de capilaridade, promove a formação de um aglomerado esférico, as pelotas.
Seguindo este processo, as pelotas são submetidas a um tratamento térmico específico, que
permite que adquiram elevada resistência mecânica ao manuseio, e propriedades metalúrgicas
superiores, quando submetidas ao processo de redução.
A pelotização de minério de ferro é um processo relativamente novo quando comparamos com
a história da mineração e metalurgia, que datam da idade da pedra. Este processo foi criado
inicialmente com o objetivo de aproveitar os finos de minério de ferro gerados durante sua lavra
e beneficiamento e que não eram aproveitados nos processos de redução. Tal fato acontecia
devido à dificuldade de manuseio e transporte, e pela diminuição da permeabilidade dos gases
redutores no interior dos altos-fornos. Outro ponto importante é o fato de que os materiais finos
eram carreados pelo fluxo de gases durante o processo de redução, gerando grande quantidade
de emissão de poeira na atmosfera (CAMPOS e CAMPOS, 2010).
Segundo Costa (2008), o processo de pelotização de minério de ferro teve início no final dos
anos 40, principalmente nos Estados Unidos. Era utilizado para a aglomeração do concentrado
produzido pelo processamento de minério magnetíticos, que possuíam baixos teores de ferro e
tinham que ser moídos abaixo de 200 # para liberar a ganga e serem concentrados em separador
magnético. Essas plantas de pelotização eram normalmente construídas perto das minas, e as
pelotas eram transportadas até as usina siderúrgicas, o que permitia uma vantagem com relação
à sinterização.
As primeiras patentes do processo de aglomeração de finos de minério de ferro por pelotização
surgiram na Europa, precisamente na Suécia, em 1912, e ao mesmo tempo na Alemanha, em
53
1913. Estes estudos apresentaram evidências de que os aglomerados esféricos produzidos
poderiam ser reduzidos mais rapidamente que o minério granulado e que os aglomerados de
sinterização produzidos com o mesmo minério de ferro (CAMPOS e CAMPOS, 2010).
Campos e Campos (2010) relata que a primeira planta piloto de pelotização só foi construída
após a primeira guerra mundial na Alemanha, em 1926. Após a década de 1940,
concomitantemente ao desenvolvimento tecnológico da mineração de minério de ferro, o
processo de pelotização passou a ter um papel fundamental na rota de produção do aço. Isso
porque o processo possuía grande potencial para agregação de valor na cadeia de produção,
viabilizando a lavra e beneficiamento de minérios menos compactos, friáveis e de menor teor
de ferro.
No início dos anos 70, o aumento da demanda mundial por minérios impulsionou a descoberta
de novos depósitos com diferentes composições mineralógicas. Este fato representou um marco
na tecnologia do processo de pelotização que passou a utilizar diferentes blends de minérios de
diferentes minas, proporcionando a construção de novas plantas de pelotização próximas aos
portos (COSTA, 2008).
Logo, com o crescente emprego da pelotização para a aglomeração de finos de minérios, foram
desenvolvidas diferentes rotas para a produção de pelotas. Na etapa de pelotamento, foram
desenvolvidos os discos de pelotização e os tambores, como mostrados nas figuras 13 e 14.
Figura 13 - Esquema de disco de pelotamento e o mesmo em operação industrial
FONTE: Adaptado dos websites Infomet e Tecnometal.
54
Figura 14 - Esquema de tambor de pelotamento e o mesmo em operação industrial
FONTE: Adaptado do website Infomet e Carvalho e Brinck (2010).
O processamento térmico ou queima das pelotas podem ocorrer em diferentes tipos de fornos.
Assim, temos os fornos rotativos (grate kiln), fornos de grelha móvel (traveling grate) e fornos
de cuba (shaft furnaces). Nos fornos de grelha móvel são processados diferentes tipos de
minério, como os minérios hematíticos, magnetíticos, ghoetíticos, minérios hidratados e suas
misturas (CAMPOS e CAMPOS, 2010).
Campos e Campos (2010) menciona que, de forma geral, no Brasil, predomina o uso de discos,
responsáveis por 93,15% da produção. Com relação ao tipo de forno, 100% dos fornos
instalados são do tipo Traveling Grate. Sendo assim, neste capítulo, será abordado com maior
nível de detalhes, o processo de pelotização com o pelotamento em discos e a queima em fornos
tipo Traveling Grate.
A partir de 1990, o processo de pelotização sofreu algumas adequações devido à demanda
crescente de produção. Isso se reflete na introdução de uma etapa de cominuição do pellet feed
logo após sua filtragem para aumentar a superfície específica das partículas. Além disso, o
peneiramento das pelotas cruas em mesa ou peneira de rolos para eliminação de finos, assim
como no atendimento às exigências ambientais, como é o caso da tecnologia de despoeiramento
com precipitadores eletrostáticos nos fornos de queima das pelotas e a aplicação de soluções de
polímeros para a supressão de poeira durante o manuseio das pelotas prontas foram outros
pontos importantes (CAMPOS e CAMPOS, 2010).
Segundo Campos e Campos (2010), a produção mundial de pelotas vem crescendo
consideravelmente com o passar dos anos. E toda essa capacidade produtiva está distribuída em
55
dois cenários que diferem entre si pela capacidade nominal de produção dos fornos e na
resistência mecânica ao manuseio requerida para as pelotas: Cenário 01 – produção de pelotas
para consumo próprio em usinas siderúrgicas integradas; e Cenário 02 - produção para
comercialização no mercado transoceânico.
Ainda de acordo com esse autor, no Cenário 01, a China se destaca em primeiro lugar em escala
de produção, seguida pelos Estados Unidos. A proximidade com as usinas siderúrgicas
consumidoras das pelotas minimiza a exigência de resistência mecânica das pelotas devido a
menor quantidade de manuseio. Já no Cenário 02, o Brasil ganha destaque na produção de
pelotas. Neste contexto, as pelotas devem possuir elevada resistência mecânica devido às longas
distâncias de transporte necessárias.
4.2.2.1. Processo de pelotização
Quando pensamos no processo de pelotização, de uma maneira geral, são três as principais
etapas do processo, descritas na sequência:
i. Preparação da matéria-prima;
ii. Formação das pelotas cruas ou pelotamento;
iii. Processamento térmico ou queima.
4.2.2.1.1. Preparação da matéria prima
Nesta etapa do processo de pelotização, a matéria-prima é conhecida como pellet feed e recebe
a adição de insumos essenciais, para garantir a qualidade das pelotas produzidas, em termos das
suas características físicas, químicas e metalúrgicas, necessárias à sua utilização nos processos
subsequentes (pelotamento e queima). Os principais insumos utilizados são: carvão mineral,
calcário, magnesita/olivina, bentonita, aglomerantes orgânicos e, em alguns casos, cal
hidratada. Após a adição desses insumos é feita uma mistura para que se obtenha uma perfeita
homogeneização do material a ser alimentado nos discos ou tambores de pelotização.
Alternativamente, alguns insumos podem ser adicionados à mistura ainda durante o precesso
de moagem do concentrado. Logo, estes insumos podem possuir maior granulometria, o que
diminui os custos (MONTEIRO et al., 2003).
56
De acordo com Campos e Campos (2010), esses insumos possuem algumas finalidades
importantes na produção das pelotas, os quais são descritos a seguir:
a. Carvão Mineral: introdução de energia térmica ao processo para o endurecimento da
pelota, proporcionando perfeita distribuição de calor no interior da mesma. Tal fato
favorece a cinética das reações de sinterização das partículas e a formação de fases
escorificadas, contribuindo para uma maior qualidade e produtividade das pelotas.
b. Calcário e/ou Magnesita: é fundamental para que a pelota queimada adquira
resistência mecânica e características metalúrgicas adequadas aos processos posteriores
de redução. Estes insumos são também responsáveis pelo fornecimento de óxido de
cálcio (CaO) e óxido de magnésio (MgO), que proporcionam o endurecimento da pelota.
c. Bentonita, Aglomerante Orgânico e Cal Hidratada: promove a aglomeração a frio
das partículas de minério de ferro, facilitando o pelotamento, e otimizando a resistência
a seco e a úmido das pelotas cruas. Essa resistência é de extrema importância para
garantir que as pelotas ainda cruas resistam ao manuseio e transporte nas correias
transportadoras até o forno e durante a etapa de secagem que ocorre durante a queima.
A aplicação de Carboxil Metil Celulose e outros aglomerantes orgânicos estão sendo bastante
difundidas em várias partes do mundo. Isso foi possível devido à busca por menores teores de
sílica, por parte dos produtores de ferro esponja (redução direta), e a forte demanda por minério
de ferro. Esses aglomerantes são compostos basicamente de cadeia carbônica e não alteram a
composição química das pelotas. Além disso, esse insumo é normalmente adicionado em
dosagens da ordem de ppm, o que viabiliza seu uso em relação à bentonita no que diz respeito
ao fator custo/benefício (CAMPOS e CAMPOS, 2010).
4.2.2.1.2. Formação das pelotas cruas (ou pelotamento)
De acordo com Costa (2008), a etapa de pelotamento consiste na formação de pelotas cruas em
discos (figura 16) ou tambores, recebendo o material devidamente preparado
granulometricamente e com os aditivos necessários, sendo necessário ou não adição água
complementar. A função dos aditivos é corrigir as características químicas e de
aglomerabilidade, visando o atendimento as etapas posteriores. A adequação da composição
química visa o atendimento as especificações de qualidade exigidas pelos clientes, e
57
influenciam de forma decisiva as características físicas e metalúrgicas finais da pelota
queimada. O desagregador de pelotas mostrado na figura 15 tem a função de reduzir o diâmetro
dos aglomerados que estão contidos na carga circulante do processo de pelotamento.
Figura 15 - Esquema de um disco de pelotamento
FONTE: Adaptado de Matos (2007).
Figura 16 - Formação de pelotas cruas em um disco de pelotamento. Vista lateral (a) e vista frontal do disco (b)
FONTE: Adaptado de Matos (2007).
58
A disposição e a forma de operação do disco permitem a classificação das pelotas em função
do diâmetro, devido à combinação da força centrífuga e do próprio peso das pelotas formadas
(figura 16). A carga é alimentada numa determinada posição do disco, podendo ser alterada. As
pelotas sofrem rolamentos sucessivos sobre as partículas finas alimentadas, acarretando o
aumento gradativo do seu diâmetro. Os raspadores têm a função de direcionar o fluxo,
orientando a trajetória dos aglomerados de diferentes tamanhos até sua descarga (CAMPOS e
CAMPOS, 2010).
Segundo Campos e Campos (2010), o tempo de residência é a principal variável a ser controlada
no disco de pelotamento. É influenciado pela taxa de alimentação, velocidade de rotação,
ângulo de inclinação, profundidade útil, posição dos raspadores, espessura da camada de fundo,
posição do ponto de alimentação. Normalmente, quanto maior é a taxa de alimentação, menor
será o tempo de residência dos aglomerados.
Na etapa de formação das pelotas cruas, adicionalmente à mistura é necessária uma fase líquida
(água) para a formação dos aglomerados. As forças que se estabelecem nas interfaces
sólido/líquido têm um efeito coesivo. Estas forças interfaciais consistem na tensão superficial
da água, e nas forças capilares atuantes nas pontes líquidas formadas entre as partículas de
minério (CAMPOS e CAMPOS, 2010).
Figura 17 – Influência das forças capilares no mecanismo de aglomeração de finos de minério de ferro
FONTE: Campos e Campos (2010).
59
Campos e Campos (2010) menciona a importância dos efeitos de capilaridade no mecanismo
de formação das pelotas. A água preenche os vazios intersticiais entre as partículas sólidas,
formando um sistema capilar com múltiplas ramificações. Quando as extremidades dos
capilares atingem a superfície externa da pelota, a sucção capilar desenvolvida na interface
ar/água provoca uma reação de igual intensidade sobre os grãos, mantendo as partículas unidas
(figura 17).
Ainda segundo esse autor, os movimentos relativos entre as partículas favorecem a adesão entre
as mesmas. Isso ocorre devido ao aparecimento de diversos pontos de contato entre grãos e
superfícies, nas quais o maior número possível de capilares deve ser formado.
A figura 18 apresenta um esquema de formação das pelotas cruas. De acordo com Campos e
Campos (2010), as partículas da mistura, quando envolvidas por um filme de água (figura 18
A), irão se tocar. Por causa da tensão superficial do filme de água, pontes de líquido são
formadas (figura 18 B), e como resultado do movimento das partículas dentro do disco de
pelotamento e da combinação individual das gotas de água, ocorre a formação de um
aglomerado com diversas partículas (figura 18 C).
No interior do aglomerado não compactado as primeiras pontes líquidas mantêm as partículas
juntas como em uma rede, formando as pelotas sem compactação. Com uma pequena adição de
água, os aglomerados condensam-se (figura 18 D). Neste estágio de formação das pelotas, as
forças capilares das pontes líquidas individuais estão essencialmente ativas. O sucesso desta
fase é alcançado quando todos os poros da pelota possuem água, mas está ainda não reveste
completamente o aglomerado (figura 18 E). Nesta fase, o efeito das forças capilares é forte. O
estágio final é obtido quando as partículas sólidas estão completamente cobertas pelo filme de
água. A tensão superficial das gotas de água que mantém as partículas sólidas torna-se
inteiramente ativa (figura 18 F) e o efeito das forças capilares reduz drasticamente (CAMPOS
e CAMPOS, 2010).
60
Figura 18 - Estágios de formação das pelotas cruas
FONTE: Campos e Campos (2010).
Alguns fatores são importantes para que o processo de pelotização ocorra adequadamente. Entre
eles podemos destacar a forma, o tamanho médio, a mineralogia, distribuição granulométrica
do minério e aditivos, a estrutura de poros da pelota, a molhabilidade das partículas, o teor de
umidade, as características químicas da mistura, o tipo e quantidade de aglomerante utilizado,
as condições operacionais dos equipamentos utilizados, os parâmetros operacionais dos discos
pelotizadores (velocidade de rotação, taxa de alimentação do material, distribuição de tamanho
das partículas do material alimentado) e a presença de sementes ou micronúcleos (MATOS,
2007).
Campos e Campos (2010) relata que as pelotas cruas quando descarregadas dos discos passam
por um processo de classificação individual, sendo posteriormente reclassificadas na
alimentação do forno de endurecimento (figura 19). O objetivo desta etapa é manter a maior
uniformidade possível na alimentação do forno, melhorando, consequentemente, o acabamento
superficial das pelotas e as condições operacionais do forno de endurecimento.
61
Figura 19 - Classificação das pelotas cruas
FONTE: Campos e Campos (2010).
4.2.2.1.3. Processamento térmico (ou queima)
A matéria-prima principal para o processo de queima no forno de endurecimento é a pelota
crua, produzida nos discos na etapa de pelotamento. Estas pelotas devem possuir características
físicas e químicas adequadas ao bom desempenho do processo de endurecimento (CAMPOS e
CAMPOS, 2010). Devido à grande utilização de fornos de grelha móvel, um enfoque maior
será dado ao mesmo neste trabalho.
Segundo Matos (2007), quando tratamos do processo de queima das pelotas, temos algumas
variáveis importantes e que devem ser consideradas. Entre elas estão os finos na entrada da
grelha, a umidade da pelota crua, a granulometria das pelotas cruas e a granulometria das
pelotas queimadas da camada de fundo.
O processo de queima é constituído das etapas de alimentação da grelha, secagem ascendente,
secagem descendente, pré-queima, queima, descarga e resfriamento. Na primeira etapa, após as
mesas de rolos da entrada do forno, as pelotas passantes na mesa superior e retidas na mesa
inferior são alimentadas na grelha (figura 20) (CAMPOS e CAMPOS, 2010).
62
Figura 20 - Alimentação da grelha, com pelotas cruas e com pelotas de camada lateral e de fundo
FONTE: Campos e Campos (2010).
Um ponto importante no processo de queima consiste na formação de uma camada de fundo e
uma camada lateral com pelotas já queimadas. O principal objetivo dessa camada é minimizar
a agressão térmica sobre a estrutura do carro de grelha e das barras de grelha, aumentando sua
vida útil (CAMPOS e CAMPOS, 2010).
Durante as etapas de secagem ascendente e descendente, a água contida nas pelotas cruas
alimentadas no forno é evaporada devido ao fluxo de gases quentes que atravessa o leito de
pelotas. As figuras 21 e 22 seguintes apresentam um esquema dessas zonas de secagem
(CAMPOS e CAMPOS, 2010). De acordo com Matos (2007), as principais variáveis que
influenciam o processo de secagem são a temperatura, velocidade do fluxo de ar e diâmetro da
pelota crua.
63
Figura 21 - Zona de secagem ascendente do forno de queima
FONTE: Matos (2007).
Figura 22 - Zona de secagem descendente do forno de queima
FONTE: Matos (2007).
64
A etapa de pré-queima (figura 23) é a fase intermediária às fases de secagem e queima, onde as
pelotas são expostas a um fluxo descendente de gases que chegam a temperaturas da ordem de
500 a 900ºC. Nestas condições, as pelotas sofrem um aquecimento adequado antes de serem
submetidas às rigorosas temperaturas de endurecimento, na zona de queima. Nesta etapa ocorre
a decomposição dos hidratos, carbonatos ou sulfatos. Nesta faixa de temperatura alcançada,
todos os óxidos de ferro, com exceção da hematita, são convertidos a óxidos. Esta é uma etapa
crítica do processo térmico, pois pode ocorrer a formação de trincas e degradação de pelotas.
Esta degradação fica mais evidente quando a umidade da pelota crua não foi totalmente
removida (MATOS, 2007).
Figura 23 - Zona de pré-queima no forno de queima
FONTE: Matos (2007).
A etapa de queima é a fase na qual as pelotas experimentam um fluxo gasoso também
descendente, com os mais elevados níveis de temperatura (1000 a 1380ºC). Para que tal
temperatura seja atingida, óleo combustível é injetado lateralmente na coifa desta região do
forno, por meio de queimadores. A combustão do óleo produz o calor para atingir a temperatura
mencionada (CAMPOS e CAMPOS, 2010).
65
Segundo Campos e Campos (2010), o calor produzido pela combustão do óleo adicionado ao
contido no ar proveniente da zona de resfriamento é transferido às pelotas para iniciar a
combustão do carvão finamente contido nas mesmas, gerando-se calor do interior para fora das
pelotas (figura 24). Parte do calor envolvido no processo de queima é utilizada nas reações
químicas entre os constituintes contidos no minério, no calcário e no aglomerante. Estas reações
propiciam o endurecimento das pelotas, adquirindo a resistência física necessária para serem
transportadas da descarga da grelha até o forno de redução do cliente.
Figura 24 - Transferência de calor do fluxo gasoso para o leito de pelotas na zona de queima
FONTE: Campos e Campos (2010).
Após a etapa de queima torna-se necessário o resfriamento a seco das pelotas, até uma
temperatura em que seja possível o seu transporte via correias transportadoras, até o pátio de
estocagem. Este resfriamento se dá por meio de um fluxo ascendente intenso de ar atmosférico,
à temperatura ambiente. Naturalmente, a maior eficiência de resfriamento é obtida nas pelotas
localizadas na camada inferior, já que o fluxo é ascendente (CAMPOS e CAMPOS, 2010).
De acordo com Campos e Campos (2010), quando as pelotas são descarregadas em correias
transportadoras na saída do forno é muito comum o uso de jatos de água para proteger o tapete
de borracha das correias e contenção de poeira. Além disso, para a contenção de poeira, diversos
estudos realizados recentemente evidenciaram que a prática de aspersão de água sobre as
pelotas descarregadas do forno podem causar forte degradação das mesmas. Logo, essa prática
deve ser substituída pelo uso de supressores químicos de poeira e/ou o emprego de
precipitadores eletrostáticos.
66
Com já mencionado, os fornos de grelha móvel são os mais utilizados no processo de tratamento
térmico das pelotas. E uma das principais vantagens deste tipo de forno é o fato da utilização
de vários queimadores na zona de pré-queima e queima. Isso permite que os perfis de
temperatura (figura 25) ao longo do forno possam ser ajustados para o tratamento térmico de
matérias primas de diferentes características (COSTA, 2008).
Figura 25 - Perfil térmico de um forno do tipo Grelha Móvel
FONTE: Costa (2008).
4.2.2.2. Secagem e endurecimento das pelotas a frio
O processo de pelotização consiste basicamente na preparação da matéria-prima, formação das
pelotas cruas e tratamento térmico. Esta última fase normalmente é realizada com o auxílio de
elevadas temperaturas para garantir a secagem e endurecimento da pelota, conferindo-lhe
características importantes de resistência. No entanto, essa fase pode ser realizada a frio. Para
isso, utiliza-se na mistura da pelota cimento de pega hidráulica. Logo, o processo de secagem
e endurecimento se desenvolve totalmente a frio.
Os principais materiais utilizados na mistura que permitem a secagem e endurecimento da
pelota a frio é o cimento Portland e o cimento de escória de alto forno. Tais aglomerantes agem
no sentido de produzir pelotas endurecidas através de ligações químicas à baixa temperatura. A
resistência à compressão das pelotas produzidas por esse tipo de processo de secagem e
endurecimento é inferior às pelotas produzidas pelo processo convencional, mas possuem
propriedades mecânicas satisfatórias ao processo de siderurgia.
67
No que se refere às propriedades metalúrgicas, as pelotas produzidas dessa maneira são bem
aceitas. Devido à ausência de alta temperatura e de escorificacão, as características dessas
pelotas são totalmente diferentes das pelotas queimadas. Devido a sua alta porosidade (30 a
40%), tais pelotas possuem alto índice de redutibilidade, quando comparadas com pelotas
queimadas que tem uma porosidade em torno de 25% (OLIVEIRA, 2003).
Esse processo consiste na mistura dos materiais, com posterior homogeneização e pelotamento
em discos. Após a aglomeração, são transportadas para silos de endurecimento. As pelotas são
revestidas com finos de concentrado durante o transporte para evitar aderência. Após o segundo
dia, as pelotas adquirem resistência à compressão de 60 kgf/pelota, considerada suficiente para
suportar o peneiramento. A última etapa consiste em estocar a pelotas em silos secundários para
a cura final (OLIVEIRA, 2003).
4.2.2.3. Estocagem e embarque das pelotas
A estocagem e o embarque das pelotas é o último estágio deste processo de pelotamento, e uma
fase muito importante, pois a temperatura das pelotas descarregadas dos fornos é reduzida por
transferência de calor para o meio ambiente ou pela aspersão de água para contenção de poeira.
Toda a produção é empilhada no pátio de estocagem e, depois, retomada para o carregamento
dos navios. O tempo de estocagem no pátio varia de acordo com a demanda do mercado
(CAMPOS e CAMPOS, 2010).
Segundo Campos e Campos (2010), existem alguns métodos de empilhamento que podem ser
aplicados. Porém, o mais utilizado é o método conhecido Windrow, ilustrado esquematicamente
na figura 26. Consiste em cobrir toda a área prevista de ser ocupada pela pilha, por uma série
de pequenas pilhas paralelas entre si na direção longitudinal do pátio.
Ainda de acordo com esse autor, após o primeiro conjunto de pilhas ser formado, um novo é
iniciado no sentido contrário ao primeiro, sendo o empilhamento feito nos espaços entre as
pilhas que formaram a base. Essa sequência deve ser seguida até que a pilha seja completada.
A secção transversal da pilha é triangular. A utilização deste método de empilhamento visa a
minimizar a segregação granulométrica das pelotas na pilha, tornando o produto mais
homogêneo e a operação de retomagem mais rápida.
68
Figura 26 - Empilhamento de pelotas pelo método Windrow. Formação das pilhas paralelas vista da
empilhadeira (A) e formação das pilhas paralelas na vista frontal (B)
FONTE: Campos e Campos (2010).
4.2.3. Sinterização
O processo de sinterização é uma importante técnica de aglomeração, juntamente com a
briquetagem e pelotização. Neste trabalho, devido à falta de equipamentos que permitissem a
realização do processo de sinterização, foi dado maior enfoque a briquetagem e pelotização.
Porém, devido ao peso que o processo de sinterização tem no universo da aglomeração, a seguir
serão abordados brevemente alguns conceitos importantes dessa técnica.
4.2.3.1. Fundamentos de sinterização
De acordo com Oliveira (2003), o processo de sinterização tinha como objetivo inicial
aproveitar as frações de minérios e combustíveis inferiores a aproximadamente 6 mm. Isto
devido a impossibilidade de utilização destas frações diretamente nos alto-fornos, por
diminuírem a permeabilidade da carga e dificultarem a passagem dos gases, condição
imprescindível a um bom desempenho operacional deste equipamento.
Ainda segundo esse autor, com o advento das grandes usinas produtoras de ferro gusa, a
necessidade de matérias-primas de melhor qualidade se tornou essencial. Altos-fornos com
grande capacidade exigiam matérias-primas mais resistentes para uma maior estabilidade
operacional. Além disso, a necessidade de redução energética solicitou matérias-primas com
melhor redutibilidade. Dentro deste contexto, a utilização de matérias-primas de alta qualidade
se tornou imprescindível para um bom desempenho dos alto-fornos. O sinter, antes utilizado
69
para o aproveitamento das frações finas de minério, tornou-se um material melhor para colocar
no alto forno do que o minério na distribuição granulométrica especificada.
A sinterização provem da ligação entre as partículas, gerando forças atrativas que mantêm
unidas a massa do material a sinterizar. Esse processo é o resultado do movimento atômico
estimulado em alta temperatura, durante o qual ocorrem processos de difusão. Algumas
variáveis influenciam a taxa de sinterização, tais como densidade inicial, material, tamanho de
partícula, atmosfera de sinterização, temperatura, tempo e taxa de aquecimento
(HERCULANO, 2007).
A sinterização consiste basicamente na mistura do material (matéria-prima), combustível
(carvão), fundentes e outros aditivos necessários, com granulometria especifica, sendo
submetidos a temperaturas que promovam a difusão atômica na superficie das partículas de
forma a agregá-las na forma de aglomerados de elevada resistência mecânica (PEREIRA,
2013).
O sínter, para atender às condições de consumo no alto-forno, deve apresentar características
de alta resistência mecânica, boa redutibilidade, distribuição granulométrica especificada e
composição química controlada (OLIVEIRA, 2003).
4.2.3.2. Processo de sinterização
O processo de sinterização começa apenas quando a temperatura do material excede de 1/2 a
2/3 a temperatura absoluta de fusão, causando difusão atômica para sinterização no estado
sólido ou difusão e fluxo viscoso quando uma fase líquida está presente ou é produzida por uma
reação química (PEREIRA, 2013).
Ainda de acordo com esse autor, a primeira fase do processo consiste na secagem, removendo
líquido dos poros do material. Um líquido quando colocado em um recipiente fechado irá
evaporar até estabelecer uma pressão de vapor de equilíbro. Com o aumento da temperatura, a
energia vibratória das moléculas que migram até a superfície também aumenta. Devido à
pressão de vapor, a molécula evapora. A água livre no material é eliminada em torno de 100°
C. Já a água estrutural evapora em temperaturas mais elevadas. Geralmente, na secagem só é
eliminada a água livre.
70
Fenômenos secundários podem ocorrer e sempre devem ser considerados em um processo de
sinterização. Os processos primários que ocorrem no aquecimento consistem no crescimento
do grão e na densificação. Juntamente com estas mudanças, há um grande número de outros
possíveis efeitos que ocorrem durante a sinterização. Estas incluem reações químicas, oxidação,
transformações de fase, efeito de gás aprisionado em poros fechados e efeitos de mistura não
homogênea. Embora estes não sejam processos de grande importância, eles frequentemente
causam os principais problemas nos produtos da sinterização (PEREIRA, 2013).
Segundo Herculano (2007), a sinterização ocorre através de ligações entre as partículas que se
encontram unidas quando aquecidas a altas temperaturas. Numa escala microestrutural, esta
ligação ocorre como o crescimento de um pescoço coesivo (figura 27), nos pontos de contato
entre as partículas do material.
Figura 27 - Formação do pescoço entre partículas esféricas induzidas por sinterização
FONTE: Herculano (2007).
O processo de sinterização pode ser dividido em três estágios (figura 28). No primeiro ocorre
alisamento das superfícies das partículas, formação de contornos nas partículas, crescimentos
de pescoços e arredondamento de poros interconectados abertos. No estágio intermediário os
poros tornam-se isolados. Os grãos passam a crescer ligeiramente. O segundo estágio terminaria
quando a densificação do material atingisse valores próximos a 90%. O estágio final consiste
71
no rápido aparecimento de grãos maiores. Neste estágio os poros diminuem até um tamanho
limite ou desaparecem (PEREIRA, 2013).
Figura 28 - Estágios de sinterização
FONTE: Pereira (2013).
A eliminação do espaço entre as partículas com a união entre elas se dá por difusão. Acima de
determinada temperatura, os átomos vibram em torno de suas posições de equilíbrio, sendo a
frequência dessas vibrações diferentes para cada tipo de átomo. Logo, os átomos com energia
acima da média, em um dado momento podem atingir um nível de energia maior que sua energia
de ligação aos átomos vizinhos, rompendo essas ligações e levando ao fenômeno de difusão.
Por meio desse processo de difusão, os átomos migram para outros locais, tais como lacunas,
interstícios, discordâncias, defeitos superficiais e volumétricos, a fim de minimizar a energia
do sistema. A difusão atômica depende da natureza do átomo, estrutura cristalina e temperatura.
É um fenômeno que justifica a união entre partículas no processo de sinterização (PEREIRA,
2013).
Existem basicamente dois tipos de sinterização: a sinterização por fase sólida e por fase líquida.
Na primeira o material é transportado sem que haja qualquer tipo de líquido na estrutura, sendo
72
transferido para a região de contato entre partículas vizinhas. A sinterização por fase líquida
acontece devido à formação de líquido na estrutura. Este líquido pode ser causado pela fusão
de um dos componentes do sistema ou pela reação entre dois componentes. A ocorrência deste
líquido tem papel decisivo na determinação dos mecanismos de sinterização e do aspecto final
da estrutura sinterizada (HERCULANO, 2007).
4.2.3.3. Sinterização de partículas minerais
A sinterização é um processo muito utilizado para minério de ferro com o intuito de aproveitar
os finos gerados nas diferentes etapas de seu processamento. A matéria-prima para sinterização
dos minérios de ferro é basicamente constituída de finos de minério (sinter feed: partículas entre
0,15 e 6,3 mm), combustível (no estado sólido: finos de carvão vegetal ou finos de coque; ou
gasoso: gás de alto-forno ou coqueria; ou líquido: óleo), fundentes (calcário-CaCO3, dolomita-
MgCO3) e outras adições: resíduos da usina reciclados (pós, lama) (PEREIRA, 2013).
Ainda segundo esse autor, os processos mais utilizados na sinterização dos minérios de ferro
são: Greenwalt e Dwigth & Lloyd. O primeiro consiste em um processo antigo, feito em
batelada, e que necessita de baixos investimentos. No entanto, gera um sínter de baixa qualidade
e tem baixa produtividade. É normalmente utilizado em pequenas empresas e com materiais
não ferrosos. Já o processo Dwigth & Lloyd é contínuo, possui maior produtividade, mas
necessita de altos investimentos. Uma ilustração do processo Dwigth & Lloyd pode ser vista na
figura 29. A mistura a ser sinterizada forma um leito, que se desloca horizontalmente, enquanto
o processo de queima é feito pela reação entre o ar que atravessa a mistura e o combustível
presente no leito. O princípio do processo se baseia na ignição da superfície do leito, combustão
do carvão/coque, fusão e aglomeração das partículas.
73
Figura 29 - Esquema do processo Dwigth & Lloyd
FONTE: Pereira (2013).
Figura 30 - Microestrutura do sínter de minério de ferro
FONTE: Pereira (2013).
74
A sequência de operação do processo de sinterização é feita na seguinte ordem: preparação da
mistura minério + combustível sólido + fundente + sínter de retorno, homogeneização a seco,
adição de água, homogeneização da mistura, alimentação da mistura, colocação de material de
forramento e carregamento da mistura na esteira. O material sinterizado queima verticalmente
enquanto o leito se move horizontalmente para a direção da extremidade de descarga. O sínter
produzido na máquina é quebrado em um britador, resfriado e classificado por peneiramento
como sínter para estocagem e sínter de retorno para formação de material de forramento. A
homogeneização pode ser feita em um tambor rotativo e o resfriamento do sínter utilizando
ventiladores (PEREIRA, 2013).
O processo de sinterização Dwigth & Lloyd pode ser dividido em quatro zonas: zona úmida
(temperaturas até 100° C), zona de secagem (vaporização da umidade), zona de reação e zona
de resfriamento. A microestrutura típica de um sínter de minério de ferro pode ser vista na
figura 30. Observa-se a presença de partículas do minério, material fundido e poros (PEREIRA,
2013).
75
5. METODOLOGIA
Nesta etapa será feita a descrição dos experimentos envolvidos na pesquisa. Consiste, em
primeiro momento, na caracterização dos materiais utilizados. Em seguida, os procedimentos
para o cálculo do traço do concreto, modelagem e ruptura dos corpos de prova são descritos.
5.1. CARACTERIZAÇÃO DOS MATERIAIS UTILIZADOS
Para a realização dos experimentos da pesquisa é fundamental o conhecimento de certas
características dos materiais utilizados. Entre eles se destacam a análise granulométrica da
magnetita e da areia (agregado miúdo), as massas específicas dos agregados do concreto (areia
e brita) e da magnetita, e o módulo de finura da areia. Todos estes materiais estavam úmidos,
sendo necessária a secagem para a realização dos ensaios que determinariam estas
características. Tal procedimento foi possível com o auxílio de uma estufa digital da marca
Sterilifer e assadeiras (tampas), ambas representadas na figura 31.
Figura 31 - Estufa (A) e assadeiras (B)
FONTE: Autoria própria.
5.1.1. Análise granulométrica da magnetita e areia
Esta fase dos ensaios da pesquisa foi realizada com o auxílio de um peneirador de laboratório
representado na figura 32 A. O material utilizado no peneiramento foi devidamente quarteado
(figura 32 B). Foram utilizadas duas séries de peneiras (tabela 10 e figura 33 A). Cada
peneiramento foi realizado duas vezes, para ambos os materiais, durante um tempo de quinze
76
minutos, para a obtenção da média. Então, utilizando uma balança de precisão (figura 33 B), o
material retido em cada fração granulométrica foi pesado. Esses dados permitiram a obtenção
de tabelas e gráficos da distribuição granulométrica de ambos os materiais.
Na obtenção dos corpos de prova de concreto há uma substituição parcial da areia pela
magnetita, mantendo todos os outros parâmetros constantes. Logo, torna-se necessário que estes
dois materiais estejam nas mesmas distribuições granulométricas, fato que certamente não
ocorrerá.
Figura 32 - Peneirador de laboratório (A) e quarteador (B)
FONTE: Autoria própria.
Figura 33 - Série de peneiras (A) e balança de precisão (B)
FONTE: Autoria própria.
77
Tabela 10 - Série de peneiras utilizada para a análise granulométrica
SÉRIE GROSSA SÉRIE FINA
6 # 48 #
8 # 65 #
9 # 80 #
10 # 100 #
14 # 150 #
20 # 200 #
28 # 270 #
35 # 325 #
FONTE: Autoria própria.
Figura 34 - Garrafas pet individualizando a magnetita retida em cada malha da série
FONTE: Autoria própria.
O procedimento encontrado para obter a magnetita na mesma distribuição granulométrica da
areia foi armazenar o material retido em cada fração granulométrica, após uma série extensa de
peneiramentos, em garrafas pet individuais (figura 34). Em seguida, de posse da distribuição da
areia, foi possível saber qual porcentagem de material ficou retido em uma malha específica.
Assim, misturou-se a magnetita naquela malha com o restante na mesma proporção em que a
78
areia. Então, todo o material foi homogeneizado, obtendo-se uma magnetita na mesma
distribuição granulométrica da areia.
5.1.2. Módulo de finura da areia
Este dado foi obtido com o auxílio da série normalizada de peneiras apresentada na tabela 6.
Procedendo como na execução da análise granulométrica, o material foi quarteado e levado ao
peneirador por quinze minutos, sendo o ensaio realizado duas vezes. O cálculo do módulo de
finura para a areia procedeu de acordo com a NBR 7211/2009.
5.1.3. Massa específica da areia, brita e magnetita
A massa específica destes materiais foi obtida por meio do método de picnometria. Consistiu
em pesar o picnômetro vazio e seco (P1), o picnômetro somente com a amostra (P2), com
amostra e água (P3), e somente com água (P4). Na figura 36 tem-se representado o picnômetro
utilizado para este ensaio.
Figura 35 - Picnômetro utilizado para obter as massas específicas dos materiais
FONTE: Autoria própria.
79
Com os dados obtidos, foi possível obter a massa específica substituindo-os na equação
seguinte.
ρ = 𝑃2−𝑃1
(𝑃4−𝑃1)−(𝑃3−𝑃2) (g/cm3) (7)
5.2. CÁLCULO DO TRAÇO DO CONCRETO
Para a execução do cálculo é necessário definir uma resistência final para concreto, estabelecida
de acordo com sua finalidade. Nesta pesquisa teve-se o objetivo de projetar um concreto
convencional, que de acordo com o website da Engemix, possui uma resistência final de 20
MPa e abatimento do tronco de cone de 70 ± 10 mm. O cimento Portland utilizado foi o
CP II – Z – 32 da Ciplan, que em seu website especifica uma resistência aos 28 dias de 32 MPa.
A massa específica do cimento considerada foi 2,97 g/cm3, obtida no website da Itambé. Foi
utilizada brita 0 proveniente de basalto, que de acordo com o website da Votorantim possui
diâmetro na faixa de 4,5 – 9,5 mm.
Com os dados da resistência final requerida e a resistência do cimento aos 28 dias, utilizando o
gráfico apresentado na figura 5, o valor da relação água/cimento foi obtido. Entrando com os
valores do abatimento do tronco de cone e da dimensão máxima característica do agregado
graúdo (brita) na tabela 4 obtemos o consumo de água. Utilizando a relação água/cimento e o
consumo de água, com a equação (2) tem-se o consumo de cimento por metro cúbico de
concreto.
Utilizando a tabela 5 com os dados da dimensão máxima característica do agregado graúdo e
do módulo de finura da areia encontra-se o volume compactado seco do agregado graúdo.
Substituindo esse valor na equação (3) juntamente com o valor de 1500 kg/m3 para a massa
unitária compactada do agregado graúdo por m3 de concreto (valor padrão utilizado quando
este dado não é conhecido) encontra-se o consumo de agregado graúdo (brita).
Substituindo todos os dados calculados anteriormente na equação (4) chega-se ao volume de
agregado miúdo por metro cúbico de concreto, que substituído na equação (5) fornece o
consumo de areia.
80
De posse dos dados das massas específicas dos materiais e dos consumos de areia, brita e água,
utilizando a equação (6), encontra-se o traço do concreto para a resistência requerida.
Durante a modelagem dos corpos de prova o ensaio de abatimento do tronco de cone foi
realizado. Logo, a adição de alguns componentes foi necessário. Esta quantidade adicionada foi
computada. O novo consumo dos componentes do concreto foi obtido pelo processo inverso de
cálculo, e o traço devidamente corrigido. Assim, a nova relação água cimento e a resistência do
concreto aos 28 dias pode ser obtida com o auxílio do gráfico apresentado na figura 5.
5.3. MODELAGEM E RUPTURA DOS CORPOS DE PROVA
Na modelagem dos corpos de prova o primeiro passo consistiu na emprimação da betoneira de
marca CSM com capacidade de 150 litros (figura 36). Este procedimento foi realizado com uma
pequena quantidade de cimento, areia e água na proporção definida pelo traço. A inclinação do
eixo da betoneira foi modificada algumas vezes para permitir que a mistura atingisse toda a
superfície interna. Em seguida, a dosagem dos materiais foi realizada com o auxílio da balança
de precisão apresentada na figura 33 B, também obedecendo o traço e considerando um volume
para nove formas.
Os componentes brita, areia/magnetita, cimento e água foram adicionados parcialmente, nesta
ordem, a betoneira. O amassamento foi realizado durante três minutos. Com a mistura
homogênea uma fração foi retirada para a realização do slump test, verificando o verdadeiro
abatimento do tronco de cone.
Figura 36 - Betoneira CSM de 150 litros utilizada nos ensaios
FONTE: Autoria própria.
81
O equipamento utilizado para o slump test (figura 37) consiste em uma chapa metálica como
base, um cone com 30 cm de altura, 10 cm de diâmetro na abertura superior e 20 cm na inferior.
Funil, concha, colher de pedreiro e haste também foram utilizados para auxiliar o ensaio.
Inicialmente, o executante do ensaio se posicionou de forma que o slump test ficasse entre seus
pés (figura 38), deixando-o rígido. Em seguida, o concreto em estado fresco foi adicionado ao
cone em três camadas, ambas sendo socadas com 25 golpes (figura 39). Ao fim deste processo,
o cone foi retirado, e o abatimento medido (figura 40). O teste foi realizado, adicionando-se
água ou cimento a mistura, até o valor requerido ser atingido.
O slump test foi realizado somente para o concreto sem magnetita. Este foi estabelecido como
padrão para as outras misturas que continham magnetita, visto que o intuito da pesquisa foi
variar somente o tipo de agregado miúdo adicionado ao concreto.
Figura 37 - Slump test com funil utilizado no ensaio do abatimento do tronco de cone
FONTE: Autoria própria.
82
Figura 38 - Posicionamento do slump test entre os pés do executante
FONTE: Autoria própria.
Figura 39 - Material sendo socado com o auxílio da haste
FONTE: Autoria própria.
83
Figura 40 - Medição do abatimento do tronco de cone em dois ensaios de slump test
FONTE: Autoria própria.
Com a mistura pronta, o próximo passo consistiu na modelagem dos corpos de prova. Para isso
foram utilizados os seguintes materiais: formas de 20 cm de altura e 10 cm de diâmetro, concha
redonda para colocar o material na forma, haste socadora de 5/8” x 600 mm e funil (figura 41).
Figura 41 - Materiais utilizados para a moldagem dos corpos de prova
FONTE: Autoria própria.
A forma foi untada com óleo mineral (diesel) e a mistura colocada em duas camadas, cada uma
recebendo 12 golpes com a haste socadora (figura 42). Na segunda camada foi deixado um
excesso de material para fazer o acerto da superfície com o auxílio de uma colher de pedreiro
84
(figura 43). Os corpos de prova foram desenformados após 24 horas e imersos em um tambor
com água e cal no mesmo instante. Permaneceram neste processo de cura até três horas antes
da ruptura.
Figura 42 - Concreto sendo socado na modelagem dos corpos de prova
FONTE: Autoria própria.
Figura 43 - Acerto da superfície do corpo de prova
FONTE: Autoria própria.
85
O ensaio de compressão dos corpos de prova foi realizado em uma prensa hidráulica de 45 ton
da marca Nowak modelo MPH-45 (figura 44). Para auxiliar na perfeita distribuição da pressão
uma peça de aço mecânico foi confeccionada (figura 45 e 46), e para suprir as imperfeições das
bases do corpo de prova uma borracha ficou entre a peça e o corpo de prova.
Figura 44 - Prensa hidráulica de 45 ton utilizada nos ensaios
FONTE: Autoria própria.
Figura 45 - Projeto da peça para distribuir a pressão uniformemente no corpo de prova
FONTE: Autoria própria.
86
Figura 46 - Peça de aço mecânico utilizada para distribuir a pressão uniformemente no corpo de prova
FONTE: Autoria própria.
Figura 47 - Corpo de prova ajustado no centro da prensa (A) e manômetro analógico (B)
FONTE: Autoria própria.
No processo de ruptura, com o corpo de prova devidamente ajustado no centro da prensa (figura
47 A), a carga do ensaio foi aplicada constantemente e de forma suave para possibilitar a leitura
da pressão de rompimento no manômetro analógico (figura 47 B).
87
Figura 48 - Corpo de prova após ruptura
FONTE: Autoria própria.
A carga foi aplicada até o momento em que uma pressão máxima foi atingida, causando a
ruptura (figura 48), e o ponteiro aliviou 10% deste valor.
88
6. RESULTADOS E DISCUSSÕES
As massas específicas da areia, brita e magnetita são apresentadas, respectivamente, nas tabelas
11, 12 e 13. Os dados e a curva da distribuição granulométrica da areia estão representados na
tabela 14 e figura 49. Do mesmo modo, os dados e a curva da magnetita estão na tabela 15 e
figura 50. O módulo de finura da areia pode ser observado na tabela 16.
Tabela 11 - Valores obtidos nos ensaios de picnometria e média da massa específica para a areia
MASSA ESPECÍFICA
VARIÁVEL ENSAIO 1 ENSAIO 2 MÉDIA
Peso picnômetro vazio e seco (g) 54,83 44,91 49,87
Peso picnômetro com amostra (g) 76,05 63,90 69,975
Peso picnômetro com amostra e água (g) 181,95 160,42 171,185
Peso picnômetro com água (g) 169,04 148,63 158,835
DENSIDADE (g/cm3) 2,554 2,637 2,593
FONTE: Autoria própria.
Tabela 12 – Valores obtidos nos ensaios de picnometria e média da massa específica para a brita
MASSA ESPECÍFICA
VARIÁVEL ENSAIO 1 ENSAIO 2 MÉDIA
Peso picnômetro vazio e seco (g) 54,83 44,91 49,87
Peso picnômetro com amostra (g) 61,69 54,62 58,155
Peso picnômetro com amostra e água (g) 173,41 154,84 164,125
Peso picnômetro com água (g) 168,97 148,57 158,77
DENSIDADE (g/cm3) 2,835 2,823 2,828
FONTE: Autoria própria.
Tabela 13 - Valores obtidos nos ensaios de picnometria e média da massa específica para a magnetita
MASSA ESPECÍFICA
VARIÁVEL ENSAIO 1 ENSAIO 2 MÉDIA
Peso picnômetro vazio e seco (g) 44,92 51,07 47,995
Peso picnômetro com amostra (g) 112,34 141,40 126,87
Peso picnômetro com amostra e água (g) 200,37 222,48 211,425
Peso picnômetro com água (g) 148,56 153,33 150,945
DENSIDADE (g/cm3) 4,319 4,265 4,288
FONTE: Autoria própria.
89
Tabela 14 - Análise granulométrica média para a areia
ANÁLISE GRANULOMÉTRICA
ABERTURA PENEIRAS
MASSA DE MATERIAL RETIDO (g)
PORCENTAGEM DE MATERIAL MASSA
MÁXIMA (g)
MASSA EXTRAPOLADA
(g) RETIDO (%)
RETIDO ACUMULADO
(%)
PASSANTE ACUMULADO
(%) mesh mm
+4 4,760 0,00 0,00% 0,00% 100,00% - -
+6 3,360 0,00 0,00% 0,00% 100,00% 682,46 0,00
+8 2,380 1,94 0,64% 0,64% 99,36% 482,43 0,00
+9 2,000 2,99 0,98% 1,62% 98,38% 368,12 0,00
+10 1,680 3,55 1,16% 2,78% 97,22% 309,29 0,00
+14 1,410 12,92 4,25% 7,03% 92,97% 259,70 0,00
+20 0,841 32,74 10,76% 17,79% 82,21% 189,19 0,00
+28 0,595 43,91 14,43% 32,22% 67,78% 120,69 0,00
+35 0,420 83,75 27,52% 59,74% 40,26% 85,31 0,00
+48 0,297 50,21 16,50% 76,24% 23,76% 60,26 0,00
+65 0,210 42,44 13,95% 90,19% 9,81% 42,61 0,00
+80 0,180 12,39 4,07% 94,26% 5,74% 32,78 0,00
+100 0,149 6,34 2,08% 96,34% 3,66% 27,65 0,00
+150 0,105 6,84 2,25% 98,59% 1,41% 21,35 0,00
+200 0,074 2,25 0,74% 99,32% 0,68% 15,04 0,00
+270 0,053 0,90 0,30% 99,62% 0,38% 10,67 0,00
+325 0,044 0,50 0,16% 99,78% 0,22% 8,15 0,00
FUNDO 0,66 0,22% 100,00% 0,00% - -
TOTAL 304,30 DENSIDADE (g/cm3) 2,593
FONTE: Autoria própria.
90
Tabela 15 - Análise granulométrica média para a magnetita
FONTE: Autoria própria.
ANÁLISE GRANULOMÉTRICA
ABERTURA PENEIRAS
MASSA DE MATERIAL RETIDO (g)
PORCENTAGEM DE MATERIAL MASSA
MÁXIMA (g)
MASSA EXTRAPOLADA
(g) RETIDO (%)
RETIDO ACUMULADO
(%)
PASSANTE ACUMULADO
(%) mesh mm
+4 4,760 0,00 0,00% 0,00% 100,00% - -
+6 3,360 0,00 0,00% 0,00% 100,00% 1128,57 0,00
+8 2,380 0,66 0,22% 0,22% 99,78% 797,78 0,00
+9 2,000 2,56 0,83% 1,05% 98,95% 608,76 0,00
+10 1,680 4,72 1,54% 2,59% 97,41% 511,47 0,00
+14 1,410 18,62 6,07% 8,66% 91,34% 429,47 0,00
+20 0,841 36,84 12,01% 20,67% 79,33% 312,86 0,00
+28 0,595 32,53 10,61% 31,28% 68,72% 199,58 0,00
+35 0,420 44,57 14,54% 45,82% 54,18% 141,07 0,00
+48 0,297 25,67 8,37% 54,19% 45,81% 99,65 0,00
+65 0,210 35,39 11,54% 65,74% 34,26% 70,47 0,00
+80 0,180 17,61 5,74% 71,48% 28,52% 54,20 0,00
+100 0,149 14,04 4,58% 76,06% 23,94% 45,73 0,00
+150 0,105 28,15 9,18% 85,24% 14,76% 35,30 0,00
+200 0,074 16,19 5,28% 90,52% 9,48% 24,88 0,00
+270 0,053 9,29 3,03% 93,55% 6,45% 17,65 0,00
+325 0,044 7,10 2,32% 95,86% 4,14% 13,48 0,00
FUNDO 12,69 4,14% 100,00% 0,00% - -
TOTAL 306,59 DENSIDADE (g/cm3) 4,288
91
Figura 49 - Distribuição granulométrica da areia
FONTE: autoria própria.
Figura 50 - Distribuição granulométrica da magnetita
FONTE: Autoria própria.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0,010 0,100 1,000 10,000
% P
assa
nte
Acu
mu
lad
a
Abertura (mm)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
0,010 0,100 1,000 10,000
% P
assa
nte
Acu
mu
lad
a
Abertura (mm)
92
Tabela 16 - Módulo de finura médio obtido para a areia
MÓDULO DE FINURA
ABERTURA PENEIRAS
MASSA DE MATERIAL RETIDO (g) PORCENTAGEM DE MATERIAL
RETIDO (%) RETIDO
ACUMULADO (%) mesh mm Ensaio 1 Ensaio 2 Média
+4 4,760 0,00 0,00 0,00 0,00% 0,00%
+8 2,380 2,04 1,93 1,99 0,66% 0,66%
+14 1,410 19,81 20,13 19,97 6,61% 7,27%
+28 0,595 82,53 83,59 83,06 27,51% 34,78%
+48 0,297 122,87 123,75 123,31 40,84% 75,62%
+100 0,149 58,23 59,70 58,97 19,53% 95,15%
FUNDO 14,52 14,74 14,63 4,85% 100,00%
TOTAL 300,00 303,84 301,92 MÓDULO DE FINURA 3,13
FONTE: Autoria própria.
Ao analisar a distribuição granulométrica da areia e magnetita fica evidente a diferença. Logo,
o procedimento de adequação da granulometria da magnetita a da areia é muito importante para
garantir que somente o tipo de agregado miúdo será modificado, mantendo-se todos os outros
parâmetros constantes.
A tabela 17 apresenta nas situações inicial e corrigida os consumos de cimento, água, agregado
graúdo e miúdo, e os valores para o traço. Analisando esta tabela é possível concluir que houve
adição de cimento e água durante a modelagem dos corpos de prova devido à necessidade de
adequação do abatimento de tronco de cone. Com a nova relação água/cimento obtida o valor
da resistência do concreto aos 28 dias ficou próximo a 13 MPa.
Tabela 17 - Valores do traço e do consumo de componentes para uma situação inicial e outra corrigida
CONSUMO INICIAL CORRIGIDO
Cimento 333,33 (kg/m³) 352,62 (kg/m³)
Agregado Graúdo 757,5 (kg/m³) 757,6 (kg/m³)
Agregado Miúdo 1025,43 (kg/m³) 1025,6 (kg/m³)
Água 225 (l/m³) 289,3 (l/m³)
Traço 1 : 3,1 : 2,3 : 0,675 1 : 2,9 : 2,1 : 0,82
FONTE: autoria própria.
93
Durante a modelagem dos corpos de prova uma nomenclatura foi definida para facilitar o
manuseio e armazenagem nos tambores com água para o processo de cura (tabela 18).
Tabela 18 - Descrição da nomenclatura atribuída aos corpos de prova
NOMENCLATURA DESCRIÇÃO
A07 Concreto normal, com cura de 7 dias
B07 Concreto com 5% de magnetita em substituição da areia, com cura de 7 dias
C07 Concreto com 10% de magnetita em substituição da areia, com cura de 7 dias
A14 Concreto normal, com cura de 14 dias
B14 Concreto com 5% de magnetita em substituição da areia, com cura de 14 dias
C14 Concreto com 10% de magnetita em substituição da areia, com cura de 14 dias
A21 Concreto normal, com cura de 21 dias
B21 Concreto com 5% de magnetita em substituição da areia, com cura de 21 dias
C21 Concreto com 10% de magnetita em substituição da areia, com cura de 21 dias
FONTE: Autoria própria.
Os resultados dos ensaio de compressão dos corpos de prova estão na tabela 19, e os gráficos
apresentados nas figuras seguintes tentam simplificar a análise dos mesmos.
Tabela 19 - Resistência a compressão dos corpos de prova
CORPO DE PROVA
RESISTÊNCIA (MPa)
Ensaio 1 Ensaio 2 Ensaio 3 Média
A07 7,5 7,5 8,1 7,7
A14 7,5 11,3 10,0 9,6
A21 13,1 9,4 8,8 10,4
B07 9,4 9,4 7,5 8,8
B14 9,4 9,4 9,4 9,4
B21 9,4 11,3 11,3 10,6
C07 11,3 7,5 8,8 9,2
C14 8,1 10,0 11,3 9,8
C21 10,0 11,9 9,4 10,4
FONTE: Autoria própria.
94
Figura 51 - Gráfico representando a média aritmética dos resultados de resistência à compressão dos corpos de
prova
FONTE: Autoria própria.
Figura 52 - Gráfico representando os resultados maiores para a resistência à compressão dos corpos de prova
FONTE: Autoria própria.
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
11,0
7 14 21
Res
istê
nci
a (M
Pa)
Dias de Cura
Resistência dos Corpos de Prova - Média Aritmética
0% de magnetita
5% de magnetita
10% de magnetita
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
11,0
11,5
12,0
12,5
13,0
13,5
7 14 21
Res
istê
nci
a (M
Pa)
Dias de Cura
Resistência dos Corpos de Prova - Resultados Maiores
0% de magnetita
5% de magnetita
10% de magnetita
95
Figura 53 - Gráfico representado a discrepância entre os resultados de resistência à compressão obtidos para os
corpos de prova A (0% de magnetita)
FONTE: Autoria própria.
Figura 54 - Gráfico representado a discrepância entre os resultados de resistência à compressão obtidos para os
corpos de prova B (5% de magnetita)
FONTE: Autoria própria.
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
11,0
11,5
12,0
12,5
13,0
13,5
7 14 21
Res
istê
nci
a (M
Pa)
Dias de Cura
Discrepância de Resultados dos Corpos A
Resultados Maiores
Resultados Menores
Resultados Médios
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
11,0
11,5
7 14 21
Res
istê
nci
a (M
Pa)
Dias de Cura
Discrepância de Resultados dos Corpos B
Resultados Maiores
Resultados Menores
Resultados Médios
96
Figura 55 - Gráfico representado a discrepância entre os resultados de resistência à compressão obtidos para os
corpos de prova C (10% de magnetita)
FONTE: Autoria própria.
Os gráficos das figuras 51 e 52 permitem inferir dos resultados que a resistência dos corpos de
prova, sejam eles com ou sem substituição da areia por magnetita, aumenta com a idade de
cura. Se utilizarmos o gráfico apresentado na figura 7 podemos concluir que a resistência aos
7, 14 e 21 dias deve ser, respectivamente, valores próximos a 70, 87 e 96% da resistência de 13
MPa. Neste trabalho não foi possível a elaboração e ruptura de corpos de prova com 28 dias de
cura devido a data do ensaio de ruptura acontecer após defesa do mesmo.
Quando analisamos os valores da resistência à compressão para os corpos de prova nas idades
de 7, 14 e 21 dias percebemos uma discrepância do requerido. No entanto, valores próximos
foram obtidos. Este fato pode ter ocorrido devido a erros inerentes ao processo de modelagem,
cura e ruptura dos corpos de prova.
Durante a secagem dos corpos de prova de concreto, o que possibilitaria desenformá-los no dia
seguinte, ocorreu um fato importante. O fenômeno de exsudação aconteceu com o concreto,
causando irregularidades na superfície do corpo de prova, o que impossibilitava que este ficasse
plano.
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
10,5
11,0
11,5
12,0
12,5
7 14 21
Res
istê
nci
a (M
Pa)
Dias de Cura
Discrepância de Resultados dos Corpos C
Resultados Maiores
Resultados Menores
Resultados Médios
97
Atualmente, existem algumas técnicas para sanar este problema que acontece com corpos de
prova de concreto elaborados para ensaio de compressão. A mais simples e prática consiste em
cerrar alguns milímetros da superfície. Para a execução de tal procedimento existem
equipamentos específicos e adequados. Devido à indisponibilidade destes o corte foi realizado
em uma serra de blocos, melhorando a forma inicial. No entanto, devido a algumas limitações
do mesmo, a superfície não ficou perfeitamente plana, possuindo ainda pequena inclinação.
Este pode ser um dos motivos pelo qual a resistência projetada não foi atingida.
Analisando o gráfico da figura 52 fica evidente que a substituição de areia por magnetita traz
ganhos de resistência somente nos primeiros dias de cura. No entanto, os valores deste gráfico
correspondem somente aos maiores resultados encontrados na ruptura dos três corpos de prova
correspondentes a cada ensaio. Já o gráfico da figura 51 representa a média aritmética dos
resultados, e permite chegar a uma conclusão contrária a que o gráfico da figura 52 possibilitou.
As figuras 53, 54 e 55 representam gráficos da discrepância entre os resultados dos ensaios.
Quando utilizamos estes para tentar explicar os anteriores, inferimos que há uma discrepância
grande nos resultados obtidos com os três corpos de prova. Logo, a elaboração de uma
quantidade maior de corpos por ensaio é necessário para tentar minimizar esta discrepância e
obter resultados mais confiáveis.
Ainda tentando analisar os resultados, nota-se que os valores de resistência dos corpos de prova
apresentados no gráfico da figura 51 estão bem definidos e separados para 7 dias de cura. Estes
começam a embaralhar-se com 14 e 21 dias de cura. Aos 14 dias as curvas correspondentes aos
corpos A e B se cruzam, fato que talvez pode ser explicado com os gráficos da figura 53 e 54,
onde a discrepância para os corpos A com 14 dias de cura é a maior, e para os corpos B não
existe. Com 21 dias de cura todas as curvas se misturam e estão praticamente juntas. Analisando
as figura 53, 54 e 55 nota-se que neste período de cura acontece uma grande discrepância para
todos os corpos de prova.
98
7. CONCLUSÕES
Quando analisamos de forma geral os ensaios deste trabalho percebemos que os resultados
foram satisfatórios e o objetivo inicial foi atingido, mesmo que pequenos erros inerentes ao
processo de modelagem, cura e ruptura dos corpos de prova possam ter ocorrido.
Portanto, ficou comprovado que a substituição do agregado miúdo por magnetita na
composição do concreto aumenta a resistência do mesmo. No entanto, somente três corpos de
prova de cada composição foram elaborados devido a pequena quantidade de formas
disponíveis e o curto período de tempo até a defesa do trabalho. Logo, para a obtenção de dados
mais confiáveis é recomendável a elaboração de uma quantidade maior de corpos de prova.
Neste trabalho foram moldados corpos de prova somente com 5 e 10% de substituição do
agregado miúdo por magnetita. Acredita-se que a resistência do concreto aumentará com o
incremento na substituição de areia por magnetita até um ponto ótimo, a partir do qual um
aumento na proporção acarretará uma perda de resistência. Para comprovar a veracidade desta
afirmação é necessário a modelagem de corpos de prova com diferentes porcentagens de
magnetita em substituição do agregado miúdo até atingir 100%.
Com os resultados deste trabalho foi possível ter uma noção bem simplificada de que a
substituição de areia por magnetita na composição do concreto causa um aumento da
resistência. Mesmo assim, vários testes ainda são necessários e um estudo de mercado
fundamental para verificar a viabilidade econômica desta proposta.
Os métodos de aglomeração também consistem em formas interessantes de aproveitamento dos
finos de magnetita gerados no processamento de rocha fosfática. A aglomeração de magnetita
não foi realizada neste trabalho devido à falta de equipamentos adequados ao processo,
consistindo em uma alternativa futura para encontrar métodos de aproveitamento viáveis para
estes finos.
99
REFERÊNCIAS
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR NM 67: DETERMINAÇÃO
DA CONSISTÊNCIA PELO ABATIMENTO DO TRONCO DE CONE. Rio de Janeiro, 1996,
11p.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 12655: CONCRETO DE
CIMENTO PORTLAND: Preparo, Controle e Recebimento – Procedimento. Rio de Janeiro,
2006, 18p.
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 7211: AGREGADOS
PARA CONCRETO: Especificação. Rio de Janeiro, 2009, 12p.
ASSUNÇÃO, J. W.. Curvas de Dosagem para Concretos Convencionais e Aditivados
Confeccionados com Materiais da Região Noroeste do Paraná. Dissertação (Mestrado em
Engenharia Civil) – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2002, 254p.
BAGATINI, M. C.. Estudo de Reciclagem de Carepa através de Briquetes Autorredutores
para uso em Forno Elétrico a Arco. Tese (Doutorado em Engenharia, área de Tecnologia
Mineral, Ambiental e Metalurgia Extrativa) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul,
Porto Alegre, 2011, 243p.
BAUER, L. A. F.; NORONHA, M. A. A.. Estudo de Dosagem. In: Materiais de Construção.
5ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008, cap. 7, pp. 187 – 239.
BENETTI, R. K.. Traços de Concreto Convencional com Incorporação de Aditivo
Acelerador de Pega: Análise da Resistência nas Primeiras Idades. Monografia (Graduação
em Engenharia Civil) – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul,
Ijuí, 2007, 61p.
BORGES, P. R.. Utilização de Resíduo de Lã de Vidro em Fabricação de Concreto.
Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais, área de Análise e Seleção de Materiais) –
Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2007, 130p.
BRASIPEDRA – Areia e Pedra. Conceição dos Ouros/MG. Disponível em:
<http://www.brasipedra.com.br/areia.html>. Acesso em: 25 nov. 2013.
CAMPOS, A. R.; CAMPOS, V. R.. Parte II: Pelotização. In: Tratamento de Minérios. 5ª ed.
Rio de Janeiro: CETEM/MCT, 2010, cap. 16, pp. 705 – 750.
100
CARVALHO, E. A.; BRINCK, V.. Briquetagem. In: Tratamento de Minérios. 4ª ed. Rio de
Janeiro: CETEM/MCT, 2004, cap. 15, pp. 610 – 636.
CARVALHO, E. A.; BRINCK, V.. Parte I: Briquetagem. In: Tratamento de Minérios. 5ª ed.
Rio de Janeiro: CETEM/MCT, 2010, cap. 16, pp. 683 – 703.
CIPLAN. Disponível em: <http://www.ciplan.com.br/index.php/pt/2011-11-28-16-24-
23/cimento>. Acesso em: 26 nov. 2013.
COSTA, R. V. P.. Otimização da Resistência a Compressão de Pelotas de Minério de Ferro
para Redução Direta pela Aplicação de Projeto Robusto. Dissertação (Mestrado em
Engenharia de Materiais, área de Processos de Fabricação) – Universidade Federal de Outo
Preto, Ouro Preto, 2008, 130p.
DESIGN E DECOR – Inspiring art! Disponível em:
<http://blogdesignedecor.wordpress.com/2013/04/18/nova-tecnica-diminui-emissao-de-co2-
na-producao-de-cimento/>. Acesso em: 25 nov. 2013.
ECO-X. Guarulhos/SP. Disponível em: <http://www.usinaecox.com/>. Acesso em: 25 nov.
2013.
ENGEMIX – Melhor Concreto do Brasil. Votorantim Cimentos. Disponível em:
<http://www.engemix.com.br/convencional.html>. Acesso em: 26 nov. 2013.
HELENE, P. R. L.; TERZIAN, P.. Manual de dosagem e controle de concreto. 1ª Ed. São
Paulo: Editora Pini, 1993.
HERCULANO, G. E. G. C.. Estudo de Soluções Sólidas da Mulita: Fabricação e
Propriedades. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais, área de Processo de
Fabricação) – Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2007, 155p.
INFOMET – Informações britadas, fundidas e laminadas. Disponível em:
<http://www.infomet.com.br/siderurgia-2a-pelotizacao.php>. Acesso em: 05 nov. 2013.
INFRASUL – Pedreira Rio Zoada. Joinville, Santa Catarina. Disponível em:
<http://www.infrasul.com.br/pedreira-rio-zoada>. Acesso em: 25 nov. 2013.
101
ITAMBÉ. Disponível em: <http://www.cimentoitambe.com.br/wp-content/themes/cimentos-
itambe/relatorio-cimento.php?pro=369&method=print&chave=2012-9>. Acesso em: 26 nov.
2013.
MALINWSKI, R.; GARFINKEL. Prehistory of Concrete. Concrete International. Detroit, v.
13, n. 3, p. 62 – 8, 1991.
MATOS, A. P.. Influência da Temperatura, Pressão, Produção e Granulometria no
Processo de Secagem de Pelotas Cruas. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais)
– Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2007, 131p.
MELO, V. A. R.. Utilização do Resíduo Gerado na Exploração do Itabirito em
Substituição ao Agregado Miúdo Natural para Preparação de Argamassa de Cimento
Portland. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais, área de Processos de
Fabricação) – Universidade Federal de Ouro Preto, Outo Preto, 2012, 88p.
MONTEIRO, A. M.; BRAGA, A. de P.; CARVALHO, B. P. R.. Modelagem Neural de um
Processo de Produção de Pelotas de Minério de Ferro. In: VII Seminário de Automação de
Processos da ABM. Santos - SP, 2003. Anais.
MOTA, E. G.. Utilização do Linter Hidrolisado como Fonte de Energia. Dissertação
(Mestrado em Engenharia Química, área de Desenvolvimento de Processos Químicos) –
Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2009, 76p.
NEVILLE, Adam M. Propriedades do Concreto. Trad. Salvador E. Giammusso. 2ª.ed. São
Paulo: Pini, 1997.
OLIVEIRA, E. R.. Elaboração e Caracterização de Mini-Pelotas Utilizando Resíduos
Siderúrgicos e Pellet Feed para Posterior Utilização na Sinterização de Minério de Ferro.
Dissertação (Mestrado em Engenharia de Minas, área de Tratamento de Minérios) –
Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2003, 130p.
PEREIRA, F. A.. Efeito da Granulometria e de Aglutinantes nas Propriedades de
Briquetes de Finos de Carvão Vegetal. Dissertação (Mestrado em Ciência Florestal) –
Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2009, 66p.
PEREIRA, M. J.. Calcinação e Sinterização de Finos de Minério de Manganês Sílico-
Carbonatado de Morro da Mina. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mineral, área de
Tratamento de Minérios) – Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2013, 114p.
102
PETRUCCI, E. G.. Concreto de Cimento Portland. São Paulo: Associação Brasileira de
Cimento Portland, 1968.
RODRIGUES, P. P. F.. Parâmetros de Dosagem do Concreto. ET-67. 3ª Ed. São Paulo:
IBRACON - Associação Brasileira de Cimento Portland, 1998.
RODRIGUES, P. P. F.. Parâmetros da Dosagem Racional do Concreto. In: 34ª Reunião de
Técnicos da Indústria do Cimento. 1983. Anais.
ROSÁRIO, L. M.. Briquetagem Visando Utilização de Resíduos de uma Serraria.
Monografia (Graduação em Engenharia Florestal) – Universidade Federal do Espírito Santo,
Jerônimo Monteiro, 2011, 37p.
SAMPAIO, J. A.; COSTA, L. S. N.; ANDRADE, M. C.. Ensaios contínuos de briquetagem
em bancada e piloto. In: Tratamento de Minérios: Práticas Laboratoriais. Rio de Janeiro:
CETEM/MCT, 2007, cap. 22, pp. 377 – 390.
SIC – Servicio Informativo de la Construcción. Disponível em:
<http://servicioinformativodelaconstruccion.com/el-cemento-portland/>. Acesso em: 25 nov.
2013.
TECNOMETAL – Uma fábrica de soluções. Vespasiano/MG. Disponível em:
<http://www.tecnometal.com.br/estruturasdenegocios/ProcessamentoMineral/Default.aspx>.
Acesso em: 05 nov. 2013.
VIEIRA, J. O., FILHO. Avaliação da Resistência à Compressão do Concreto Através de
Testemunhos Extraídos: Contribuição à estimativa do Coeficiente de Correção Devido
aos Efeitos do Broqueamento. Tese (Doutorado em Engenharia Civil, área de Engenharia de
Construção Civil) – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007, 217p.
VOTORANTIM CIMENTOS. Disponível em:
<http://www.votorantimcimentos.com.br/Produtos/Agregados_produtos.htm>. Acesso em: 26
nov. 2013.
103