Mateus Justino da Silva ELEMENTOS DE CONCRETO PARA PAVIMENTAÇÃO PRODUZIDOS COM AGREGADOS DE ESCÓRIA DE ACIARIA Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil do CEFET-MG como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil. Orientador: Prof. Dr. Ricardo André Fiorotti Peixoto Co-orientador: Prof. Dr. Flávio Renato de Góes Padula Belo Horizonte, 08 de agosto de 2011
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Mateus Justino da Silva - reciclos.ufop.br · Mateus Justino da Silva ELEMENTOS DE CONCRETO PARA PAVIMENTAÇÃO PRODUZIDOS COM AGREGADOS DE ESCÓRIA DE ACIARIA Dissertação de Mestrado
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Mateus Justino da Silva
ELEMENTOS DE CONCRETO PARA PAVIMENTAÇÃO PRODUZIDOS COM
AGREGADOS DE ESCÓRIA DE ACIARIA
Dissertação de Mestrado Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil do CEFET-MG como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.
Orientador: Prof. Dr. Ricardo André Fiorotti Peixoto
Co-orientador: Prof. Dr. Flávio Renato de Góes Padula
Belo Horizonte, 08 de agosto de 2011
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Silva, Mateus Justino da
S586e Elementos de concreto para pavimentação produzidos com agregados de escória de aciaria / Mateus Justino da Silva. – – Belo Horizonte, 2011.
105 f. : il. Dissertação (mestrado) – Centro Federal de Educação
Tecnológica de Minas Gerais . Orientador: Ricardo André Fiorotti Peixoto. Bibliografia
1. Construção civil. 2.Pavimentos de concreto. 3. Resíduos –
Siderurgia. I. Peixoto, Ricardo André Fiorotti. II. Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais. III. Título
CDD 691.3
Elaboração da ficha catalográfica pela Biblioteca-Campus II / CEFET-MG
iii
iv
Dedico este trabalho a minha
companheira, parceira, amiga
e esposa, Janaína Aparecida
Barbosa.
v
“A maior recompensa para o
trabalho do homem não é o
que se ganha, mas o que ele
nos torna”.
John Ruskin
vi
Agradecimentos
Ao nosso Senhor Jesus Cristo, por tudo que eu tenho na vida. “O Senhor é
minha luz, esperança, fé e proteção da minha vida”.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Ricardo André Fiorotti Peixoto, por suas valiosas
contribuições, pela amizade, profissionalismo que tanto contribuiu para a
minha formação.
Aos meus pais, que são meus eternos ídolos, que tanto lutaram para que eu
pudesse buscar novos horizontes, ensinando-me que na vida somos como
as águas, para todos os obstáculos existentes, sempre há um jeito de
contorná-los.
À minha esposa Janaína Aparecida Barbosa pelos 10 anos que estamos
caminhando e lutando juntos por dias melhores, a cada dia é mais um
desafio que encontramos, e graças a Deus sempre conseguimos unir forças
para nos dedicar, lutar e vencer. Esta é mais uma vitória que dedico a você
por tudo que tem feito por mim, e ter você a meu lado é meu maior orgulho e
dizer que você é minha esposa, sempre com novos olhares para o futuro,
sempre querendo dar mais um passo a frente.
Aos professores do Departamento de Engenharia Civil (DEC) e da pós-
graduação, de uma forma direta ou indiretamente, todos contribuíram para a
concretização desta pesquisa, fico muito grato de poder fazer parte deste
departamento.
Ao colega de trabalho e amigo, Técnico do laboratório do Departamento de
Engenharia Civil (DEC), Leandro da Silva de Souza pela amizade, apoio
técnico, companheirismo, profissionalismo e inestimável ajuda sem a qual
este trabalho não seria concretizado.
Aos meus colegas de trabalho, Servidores do Departamento de Engenharia
Civil (DEC), Rodrigo, Fernanda, Luciano e José Mário, por todo esse tempo
vii
de convivência e trabalho, por tudo que colaboram para a concretização
deste trabalho.
À minha amiga e colega de trabalho, professora M. Sc. Suzana Maria Zatti
Lima pelo companheirismo e amizade nesse período de longa caminhada, na
qual lutamos juntos para que chegássemos até o fim, alcançando os nossos
objetivos.
À minha amiga, Dra. Adriana Zatti Lima pelo companheirismo, amizade e
conselhos no qual contribuíram muito para a minha vida e por tudo que
conversamos minha eterna gratidão.
Ao professor M. Sc. Eduardo de Oliveira do Departamento de Engenharia
Civil (DEC), pela nossa amizade e convivência do dia a dia e contribuição
para o meu trabalho.
Aos meus amigos Ronaldo, Tatá, Reinaldo, Carlos Augusto, Eduardo
Nakaniski, Denise Urashima, Suelly Helena, Ana Lucia, Ivan, Alfredo e
Geraldo, que mesmo distante contribuíram para a minha pesquisa.
Ao professor Augusto Cesar da Silva Bezerra do CEFET-MG - Campus
Araxá, que mesmo distante sempre deu as suas valiosas contribuições, pelo
apoio companheirismo, profissionalismo, que tanto contribuiu para a minha
pesquisa.
Ao Grupo de Pesquisa Reciclos/CNPQ, especialmente aos integrantes,
Kerry, Thiago, Douglas e Igor, as suas importantes contribuições, apoio
técnico, companheirismo e profissionalismo.
Aos colegas de mestrado Júnia, Dayse, João Maurício, Mariana, Hugo,
Viviane, Tatiana, Luiz Delgado, Gelmo, Sandro, Samir e Vidigal.
Ao professor Joel Romano e toda a sua equipe técnica do Departamento de
Engenharia de Materiais (DEM) do CEFET-MG, que se dedicaram na
viii
fabricação de alguns acessórios para a realização dos experimentos.
Ao Engenheiro Sandro Almada da empresa Arcelor Mittal, pelo fornecimento
das escórias de aciaria para realização da minha pesquisa.
Aos Engenheiros Bráulio e Cláudio da empresa Ciclometal da cidade de
Itaúna, pelo apoio no processamento dos agregados que foram utilizados na
produção dos elementos para realização de toda a pesquisa.
Ao Engenheiro José Eli e toda a sua equipe, da empresa Unistein da cidade
de Pedro Leopoldo, pelo apoio técnico na produção dos elementos para
realização dos meus experimentos.
ix
Resumo
Neste trabalho foi estudado o uso de escória de aciaria como agregado para
a produção de elementos de concreto para pavimentação. Para isso, foram
coletadas quatro amostras de escória de aciaria em quatro usinas
siderúrgicas situadas na região sudeste do Brasil. As escórias foram
processadas através de separação magnética, estabilizadas e inertização em
pátio de estocagem. Após a estabilização e inertização das escórias, estas
foram separadas e classificadas por peneiramento. Após a separação em
faixas granulométricas, as escórias foram caracterizadas por determinação
da umidade, do teor de material ferroso, da granulométrica, da massa
específica, da massa unitária e do teor de material pulverulento. Com a
escória caracterizada foram fabricados elementos de concreto para
pavimentação (EPC) com a substituição total dos agregados graúdos
convencionais por agregados graúdos produzidos com a escória de aciaria,
com dosagem para obter a resistência à compressão de 35 MPa. Os
elementos moldados foram ensaiados a resistência à compressão e à tração
na flexão e os resultados encontrados foram compatíveis e superiores aos
resultados dos elementos de referência e mostram a viabilidade de utilização
de escória de aciaria como agregados graúdos. Os elementos também foram
caracterizados físico-químico e ambientalmente pelos ensaios de absorção
de água, índice de vazios, massa específica, lixiviação e solubilização. Os
resultados encontrados da análise física, química e ambiental foram
satisfatórios e quando comparados com os resultados obtidos para os
elementos produzidos com agregados naturais foram equivalentes ou
superiores. O presente trabalho concluiu que a utilização de escória de
aciaria para a produção de agregado para elementos de concreto para
pavimentação é viável e de interesse técnico e ambiental.
Palavras Chave
Construção civil, pavimentos de concreto, escória de aciaria, construção de
estradas, reciclagem, sustentabilidade.
x
Abstract
This study investigated the use of steel slag as aggregate for the production
of parts for concrete paving. For this, four samples were collected from steel
slag in four steel mills located in southeastern Brazil. The steel slag were
processed through magnetic separation, stabilization and inertization in
storage yard. After stabilization and inertization, the steel slag were separated
and classified by sieving. After the separation by particle sizes, the slag was
characterized by determining the moisture content of ferrous material, the
particle size, the density, the content of powdery material. The slag pieces
were made of concrete paving (CFP) with the partial replacement of fine
aggregates and coarse aggregates produced by conventional with steel slag,
a dosage to obtain the compressive strength of 35 MPa. The molded parts
were tested at compressive strength and tensile strength in bending and the
results were consistent and superior results to the reference blocks and show
the feasibility of using steel slag as aggregates. The pieces were also
characterized physical-chemical and environmentally for the tests of water
absorption, void ratio, density, solubility and leaching. The results of physical
analysis, chemical and environmental safety were satisfactory and compared
the results obtained for the parts produced with natural aggregates were
equivalent or higher. This study concluded that the use of steel slag for
production of aggregate for concrete paving parts is feasible and interesting
Tabela 2.12 - Propriedades físicas de agregados graúdos e miúdos de escória de aciaria (MANSO et al., 2006)
Composição química Porcentagem da massa
EAF Slag Cimento portland
Ʃ Óxidos de ferro 42,5 3,7
SiO2 15,3 21,9
CaO 23,9 64,2
AL2O3 7,4 5,1
MgO 5,1 0,9
MnO 4,5 0,01
SO3 0,1 3,3
Outros (P2O5+TiO2+Na2O+K2O) 1,0 0,9
CaO livre 0,45 Não mensurado
MgO livre ~ 1,0 Não mensurado
Fase vítrea <5,0 Não mensurado
Em todos os trabalhos apresentados anteriormente percebe-se que os valores
de óxidos de ferro nas escórias de aciaria estudadas foram superiores aos
valores comumente encontrados para agregados naturais.
2.4. Classificação de resíduos sólidos
A NBR 10004 (ABNT, 2004) define os resíduos sólidos como sendo os resíduos
no estado sólido e semi-sólido, que resultem de atividades da comunidade de
origem: industrial, doméstica, hospitalar, comercial, agrícola e de serviços de
varrição. Ficam incluídos nesta definição os lodos provenientes de sistemas de
tratamento de água, aqueles gerados em equipamentos e instalações de
30
controle de poluição, bem como determinados líquidos cujas particularidades
tornem inviáveis o seu lançamento em rede pública e de esgotos ou de corpos
de água, ou exijam para isso soluções técnicas e economicamente inviáveis em
face à melhor tecnologia disponível.
A ABNT (2004) define que a classificação de resíduos envolve a identificação do
processo ou atividade que lhes deu origem e de seus constituintes e
características e a comparação destes constituintes com listagens de resíduos e
substâncias cujo impacto à saúde e ao meio ambiente é conhecido.
Os resíduos são classificados em resíduos classe I – Perigosos e resíduos
classe II – Não perigosos. Os resíduos classe II são divididos em resíduos classe
II A – Não inertes e os resíduos classe II B – Inertes (ABNT, 2004).
Os Resíduos classe II A - Não inertes são aqueles que não se enquadram nas
classificações de resíduos classe I - Perigosos ou de resíduos classe II B -
Inertes. Os resíduos classe II A – Não inertes podem ter propriedades, tais
como: biodegradabilidade, ‘combustibilidade’ ou solubilidade em água. Na
Tabela 2.13 é apresentado alguns resíduos classe II.
Tabela 2.13 - Codificação de alguns resíduos classificados como não perigosos (ABNT, 2004)
31
3. MATERIAIS E MÉTODOS
O presente trabalho teve um programa experimental para o atendimento aos
objetivos geral e específico. Na Figura 3. é apresentado um fluxograma sucinto
do programa experimental desenvolvido.
Figura 3.1- Fluxograma do programa experimental.
32
3.1. Aquisição dos materiais
Neste trabalho foi estudado o uso de escória de aciaria na produção de
elementos de concreto para pavimentação, para isso foram utilizados materiais
provenientes de quatro usinas siderúrgicas. Coletou-se uma tonelada de amostra
em cada uma das quatro indústrias, todas localizadas na região Sudeste do
Brasil, como indicado no Tabela 3.1.
Tabela 3.1 - Origem e tipos de escórias utilizadas no estudo.
USINA MUNICÍPIO TIPOS DE ESCÓRIA
ESTADO REGIÃO
Arcelor Mittal Piracicaba AE1 SP SE
Arcelor Mittal Juiz de Fora AE MG SE
Arcelor Mittal João Monlevade LD2 MG SE
Usiminas Nipon Steel Ipatinga LD MG SE
As escórias utilizadas foram encaminhadas para a empresa Ciclo Metal,
especializada em operação de pós-processamento e recuperação de materiais
metálicos de escórias de aciaria, situada no Município de Itaúna (MG). Estas
escórias passaram por processo de reciclagem, segregação e classificação, com
o objetivo de retirada dos constituintes metálicos.
Na Figura 3.2 apresenta-se a estocagem das amostras de escória de aciaria, em
sacos de lona com capacidade de 500 litros, sobre paletes, no galpão onde
também foram moldados as elementos para pavimentação, mostrando as
matérias prima: areia (AR-EAPP 1), pedrisco (AR-EAPP 2 A) e brita 0 (AR-EAPP
2 B).
1 AE - Aciaria elétrica;
2 LD – Linz Donawitz
33
Figura 3.2 - Armazenagem das amostras de escória de aciaria.
Estas amostras passaram por um método de segregação magnética
especializada e foram submetidas aos processos de estabilização e inertização,
que tem por finalidade neutralizar os efeitos prejudiciais da expansão de
elementos como o óxido de cálcio (CaO) e o óxido de magnésio (MgO).
A empresa ciclometal tem como objetivo o desenvolvimento da separação dos
constituintes metálicos, principalmente no que diz respeito a materiais ferrosos
das escorias de aciaria. A empresa em questão utiliza-se de processos de
separação magnética, separando o aço e o ferro metálico do material cerâmico o
residual metálico não ferroso com o objetivo de comercialização dos metais
ferrosos como sucata. Sendo assim os constituintes da escoria de aciaria,
sobram ao final do processo como resíduo do processo que a empresa
desenvolve. Com isso, a escória utilizada neste trabalho não possui nenhum
custo associado, uma vez que o processo em questão foi desenvolvido e pago,
pela venda do resíduo metálico como sucata.
A escória obtida após este processo recebeu o nome de escória de aciaria pós-
processada (EAPP), a qual foi encaminhada para a empresa para a fabricação
34
de elementos de concreto para pavimentação (ECP), situada no Município de
Pedro Leopoldo (MG).
Para a produção de ECP foram utilizadas duas proporções de materiais. A
primeira mistura foi utilizada para fabricar ECP, chamada neste trabalho de ECP
de referência. Esta mistura foi realizada para parâmetro de comparação, sendo
confeccionada com cimento, água e agregados naturais, comumente utilizados
pela empresa Unistein. Na segunda mistura, os agregados naturais graúdos
foram substituídos parcialmente por agregados reciclados de EAPP. Estes
agregados foram classificados segundo a sua distribuição granulométrica. O
agregado reciclado de EAPP na faixa granulométrica passante na peneira com
abertura 4,8mm e retida na peneira com abertura 2,0mm foi denominado AR-
EAPP 1 e o agregado reciclado de EAPP na faixa granulométrica passante na
peneira com abertura 6,3mm e retida na peneira com abertura 4,8mm foi
denominado AR-EAPP 2.
O AR-EAPP 2 foi obtido através de uma mistura entre os agregados
classificados com a denominação de pedrisco (AR-EAPP 2 A) e brita 0 (AR-
EAPP 2 B).
As proporções utilizadas (traços) nas moldagens podem ser observadas na
Tabela 3.2.
Tabela 3.2 - Proporções de materiais utilizados para a moldagem de ECP
Materiais Quantidades (kg)
Proporção de referência Proporção com EAPP
Cimento 78,00 78,00
Agregado miúdo convencional
295,00 295,00
Agregado graúdo convencional
135,00 -
AR-EAPP 1 - 88,00
AR-EAPP 2 - 88,00
Água 32,76 32,76
35
O cimento utilizado nas misturas foi caracterizado pelos ensaios de perda ao
fogo, pela massa específica e pelo módulo de finura.
A água utilizada na pesquisa foi a que abastece o laboratório de materiais e os
demais laboratórios do Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas
Gerais (CEFET-MG), proveniente da Companhia de Saneamento de Minas
Gerais S.A. (COPASA), responsável pelo tratamento e distribuição de água
potável da cidade de Belo Horizonte.
3.2. Métodos
As escórias de aciaria coletadas nas usinas foram transportadas em caminhões
para a empresa especializada. “Onde, fora descarregada, britada e separada em
faixas granulométricas, com material passante na peneira malha 3/8” e abertura
de 9,5mm.
Após o peneiramento, a escória passou por um processo de retirada das
partículas metálicas por meio de sistema gravimétrico-magnético. Para
estabilização e inertização, a escória foi espalhada em pátio, onde foi virada e
revirada durante dez dias. A posteriori, a escória recebeu o nome de Escória de
Aciaria de Pós Processada (EAPP).
Coletaram-se amostras em tambores de Polyvinyl Chloride (PVC) com
capacidade volumétrica de duzentos litros para as diferentes faixas
granulométricas produzidas. Estas amostras foram transportadas para o CEFET-
MG/Campus II, onde foi realizada a caracterização.
36
3.2.1. Caracterização da escória
3.2.1.1. Determinação do teor de constituintes metálicos
ferrosos
A caracterização da EAPP contou com diversos procedimentos. A primeira
análise realizada foi a determinação do teor de constituintes metálicos ferrosos.
Para esta análise, o material foi secado em estufa na temperatura de (105°C -
110°C), até constância de massa. Foi medida a massa de 2.500g do material e
passado três vezes até a constância de massa por um cone magnético com o
objetivo de reter as partículas ferrosas. Após a passagem de todo material, as
partículas retidas no cone tiveram a massa medida, essa massa do material
metálico retido (PMS) foi pesada e utilizando a equação 1, foi possível calcular o
teor de metálicos ferrosos (TM).
1002500
PMS
TM (1)
O equipamento utilizado para a determinação do teor de metálicos ferrosos nas
amostras foi de intensidade magnética permanente de 2600 Gauss fabricado
pela empresa de PROMAC. O sistema de recuperação consiste de processo
ciclone, com chicanas helicoidais em fluxo descendente. Na Figura 3.3 é
possível observar o equipamento após as passagens de uma amostra até três
vezes.
37
Figura 3.3 - Ensaio de Teor de metais da escória de aciaria.
3.2.1.2. Determinação do teor de umidade
O ensaio para a determinação do teor de umidade das amostras foi realizado de
acordo com a NBR 9939 (ABNT, 1987), por secagem, em agregados miúdos e
graúdos. As amostras foram secas em estufa (105°C - 110°C), até constância de
massa. Com os dados obtidos foi feito o cálculo de umidade do material
conforme a equação 2.
100
Mf
MfMih 2
Onde,
h teor de umidade total, em %;
Mi massa inicial da amostra, em g;
Mf massa final da amostra seca, em g;
38
3.2.1.3. Análise granulométrica
A análise granulométrica foi realizada para definir o tamanho das partículas do
material, esta definição foi realizada através do peneiramento a seco de uma
amostra da escória e da pesagem dos grãos retidos em cada uma das peneiras
da série normal de peneiras NBR 7217 (ABNT, 1987). Na Tabela 3.3 são
apresentadas as peneiras utilizadas com suas respectivas aberturas de malha.
As amostras foram quarteadas e pesadas em balança de precisão com
capacidade mínima de 2 kg e sensibilidade de 1 g. A amostra de 500g foi
homogeneizada e previamente seca em estufa na temperatura de (105°C -
110°C), até constância de massa. O material seco foi colocado no conjunto de
peneiras de 4,8mm a 0,075mm sob agitador, e o material retido foi pesado.
Tabela 3.3 - Peneiras utilizadas no ensaio de granulometria.
Série Normal Série Intermediária
76 mm
-
-
38 mm
-
-
19 mm
-
9,5 mm
-
4,8 mm
2,4 mm
1,2 mm
0,6 mm
0,3 mm
0,15 mm
-
64 mm
50 mm
-
32 mm
25 mm
-
12,5 mm
-
6,3 mm
-
-
-
-
-
-
Em função das porcentagens retidas e acumuladas foi calculado o módulo de
finura e a dimensão máxima dos agregados. O módulo de finura é a soma das
porcentagens acumuladas nas peneiras da série normal, dividida por 100, não
sendo considerado o fundo e as peneiras intermediárias. Já a dimensão máxima
39
característica foi definida pela abertura da peneira, em mm, que retém uma
porcentagem acumulada igual ou imediatamente inferior a 5%.
3.2.1.4. Determinação da massa unitária
Para a determinação da massa unitária (MU) foi realizado de acordo com NBR
7251 (ABNT, 1982). Foi utilizado um recipiente previamente limpo, seco e de
volume conhecido, tamanho de largura 316 mm, comprimento 316 mm e altura
200 mm. Foi quarteado e homogeneizado foi colocado no recipiente, em seguida
a superfície foi alisada com uma régua, conforme ilustra a Figura 3.4. Após esse
procedimento foi pesado o recipiente contendo o resíduo e calculada a massa
unitária. Para o cálculo foi utilizada a equação 3.
V
MMU (3)
Onde,
M massa do material;
V volume interno do recipiente;
Na Figura 3.4 é possível observar uma imagem da realização do ensaio de
massa unitária.
40
Figura 3.4 - Ensaio de massa unitária da escória de aciaria.
Para a determinação da massa específica dos agregados miúdos foi realizado o
ensaio de acordo com a NBR 9776 (ABNT, 1987), para isso foi utilizado o frasco
Chapman e balança de precisão com capacidade mínima de 1 kg e sensibilidade
de 1 g.
3.2.1.5. Determinação de massa especifica
Para o ensaio de massa especifica a amostra foi previamente secada em estufa
na temperatura de (105°C - 110°C), até constância de massa. Para a realização
do ensaio foi colocada a água no frasco até marca de 200 cm3, deixando-o em
repouso, para que a água aderida às faces internas escorra totalmente. Em
seguida foi introduzido, cuidadosamente, 500g de agregado miúdo seco no
frasco o qual foi devidamente agitado para eliminação das bolhas de ar. A leitura
do nível atingido pela água no gargalo do frasco indicou o volume, em cm3,
ocupado pelo conjunto água-agregado miúdo, sendo verificado que as faces
internas estavam completamente secas e sem grãos aderentes, conforme Figura
3.5. Com a equação 4 é possível calcula a massa específica.
200
500
L
(4)
41
onde,
massa específica do agregado miúdo, deve ser expressa em g/cm3;
L leitura do frasco (volume ocupado pelo conjunto água-agregado miúdo).
Figura 3.5 - Ensaio de massa específica de escória de aciaria
3.2.1.6. Determinação do teor de material pulverulento
Para a determinação do teor de material pulverulento foi coletado do lote uma
amostra foi previamente seca em estufa. A amostra foi coberta com água e
vertida em peneiras superpostas, sendo lavada até a completa limpeza, com a
eliminação das partículas passantes. O material retido foi recolhido, seco e
depois pesado. O cálculo foi efetuado conforme equação 5.
100
Mi
MfMiMP 5
onde,
MP teor de material pulverulento;
42
Mi massa inicial;
Mf massa final.
Na Figura 3.6 é apresentada a realização do ensaio de material pulverulento.
Figura 3.6 - Ensaio de material pulverulento da escória de aciaria.
3.2.2. Dosagem do traço dos elementos para pavimentação
Os agregados naturais utilizados nas dosagens que serviram como testemunhos
ao modelo experimental foram adquiridos no mercado local, frente às faixas
granulométricas indicadas pela NBR 7211 (ABNT, 1983) para agregados
graúdos e miúdos.
A partir dos dados da caracterização física obtidos para os agregados artificiais e
naturais, foi produzida uma mistura graduada de acordo com a faixa apresentada
na Figura 3.7. Estas faixas granulométricas com limites superiores e inferiores
são as faixas utilizadas pela indústria de pré-moldados Unistain. Neste trabalho
foi utilizada a faixa granulométrica para Pavers, chamado neste trabalho de
elementos de concreto para pavimentação. O dimensionamento do traço foi
conduzido conforme método estabelecido pela ABCP com auxílio de software
43
especializado para dimensionamento de misturas cimentícias (SALES e
PEIXOTO, 2009).
Figura 3.7- Limites ideais para fabricação de elementos de concreto para pavimentação.
Os traços dimensionados foram realizados com base nas demandas do
processo produtivo e de aplicação dos elementos para pavimentação. Serão
considerados como parâmetros de dosagem as tensões normativas de 35 MPa
para vias com tráfego de veículos comerciais e de linha e 50 MPa para vias com
tráfego de veículos especiais ou com significativas solicitações à abrasão, em
conformidade com a NBR 9781 (ABNT, 1987).
Devido ao fato do programa experimental ser realizado na indústria localizada na
cidade de Pedro Leopoldo (MG), os materiais utilizados nos testes foram os
mesmos materiais utilizados pelo fabricante rotineiramente.
3.2.3. Moldagem e cura dos elementos para pavimentação
Os elementos de concreto para pavimentação foram produzidos da mistura
cimentícia em processo industrial. A adição de materiais foi realizada conforme
ilustra a Figura 3.8 foi conduzida por processo gravimétrico e os elementos
moldados em uma vibroprensa. A vibroprensa utilizada nesta pesquisa é
44
ilustrada na Figura 3.9 do tipo de desforma automática sobre paletes, usadas
atualmente pela grande maioria dos fabricantes no Brasil, o equipamento é da
empresa Unistein especializada na fabricação de blocos intertravados.
Figura 3.8 - Abastecimento de materiais na vibroprensa utilizada na fabricação de
elementos para pavimentação, Pedro Leopoldo (MG).
Figura 3.9 - Vibroprensa utilizada na fabricação de elementos para pavimentação, Pedro Leopoldo (MG).
Os elementos com idade zero foram acondicionados sobre paletes, envelopados
por lonas de PVC e transportados para o pátio da empresa Unistein, como
ilustrado na Figura 3.10, onde permaneceram ate a data para a realização dos
ensaios mecânicos de compressão e flexão, nas idades de 3, 7 14, 56 dias. No
45
laboratório de materiais do CEFET-MG, onde passaram por processamento e
análise.
Figura 3.10 - Elementos de concreto para pavimentação com idade zero foi acondicionados sobre paletes no pátio da empresa Unistein Pedro Leopoldo (MG).
3.2.3.1. Determinação das propriedades físicas e mecânicas
dos elementos de concreto para pavimentação
Para a caracterização dos elementos de concreto para pavimentação foram
ensaiados quatro corpos de prova de cada composição para cálculo da absorção
de água por imersão, índices de vazios, massa específica da amostra seca e da
amostra saturada de acordo com NBR 9778 (ABNT, 1987).
3.2.3.2. Determinação da absorção de água
Para realização dos ensaios foram medidas as massas das amostras secas ao
ar e as massas secas dos compósitos foram medidas após os corpos de prova
permaneceram na estufa até atingirem constância de massa. Para determinar a
constância de massa, a amostra permaneceu em estufa à temperatura de 105 ±
5°C, as amostras foram pesadas após permanência na estufa de 24 h, 48 h e 72
46
h. As amostras foram resfriadas ao ar seco à temperatura ambiente. Após 72 h
de permanência na estufa foi verificado se a massa não diferiu mais de 0,5% da
massa medida às 48 h.
Completada a secagem em estufa e determinada a massa seca, foi procedida à
imersão da amostra em água, durante 72 h, sendo que a amostra foi mantida
com 1/3 de seu volume imerso nas primeiras 4 h e 2/3 nas 4 h subseqüentes,
sendo completamente imersa nas 64 h restantes. A massa imersa foi
determinada decorrido 24 h, 48 h e 72 h de imersão. As determinações foram
efetuadas após enxugar-se a superfície da amostra com toalha absorvente. Após
72 h de permanência na imersão foi verificado se a massa não diferiu mais de
0,5% da massa medida às 48 h. Após completar a saturação foi procedida à
pesagem em balança hidrostática, anotando as massas das amostras imersas
em água.
A absorção de água por imersão (Abs) foi definida pela equação 6.
100
s
ssat
M
MMAbs (6)
Onde:
Msat = massa do corpo-de-prova saturado;
Ms = massa do corpo-de-prova seco em estufa.
3.2.3.3. Determinação dos índices de vazios
O índice de vazios foi determinado pela relação entre os volumes de poros
permeáveis e o volume total, sendo calculada pela equação 7.
100
isat
ssat
VMM
MMI (7)
47
Onde:
Mi = massa do corpo-de-prova saturado, imerso em água.
3.2.3.4. Determinação das massas especificas
A massa especifica seca (ɣs) foi determinada pela equação 8.
100
isat
s
sMM
M (8)
A massa especifica seca (ɣsat) foi determinada pela equação 8.
100
isat
sat
satMM
M (9)
Na Figura 3.11 é possível ver o aparato para pesagem hidrostática constituído
de balança, mesa de suporte, balde e cesto.
48
Figura 3.11 - Aparato de pesagem hidrostática
3.2.3.5. Determinação da expansibilidade
A determinação da expansibilidade dos elementos foram procedidas a partir da
análise da estabilidade dimensional para os elementos fabricados em concreto
convencional e escória de aciaria, segundo ciclos de molhagem e secagem. A
peça foi seccionada em três partes e no centro geométrico dos terços exteriores
foram fixados, com graute, pinos de referência. Na Figura 3.12 é possível
observar uma peça preparada para o ensaio de expansibilidade.
49
Figura 3.12 - Elementos preparada para o ensaio de expansibilidade.
A colocação dos pinos serviu como orientação para as tomadas de medidas
durante o processo de ensaio. Utilizaram-se para cada uma das determinações
três corpos de prova. Após fixação dos pinos de referência (72 horas) foram
determinadas as medidas iniciais (e0). Todos os pinos dos elementos de
concreto para pavimentação foram fixados com pasta de cimento CP V ARI.
Determinada a medida inicial, os CP foram colocados em estufa à temperatura
de 105ºC por um período de 24 horas. Após o período de aquecimento na estufa
(24 horas), os CP foram retirados e depositados sobre a bancada para a
determinação da medida (e1).
Depois da estabilização da temperatura do CP e a determinação das medidas
entre os pinos de referência, os CP foram colocados em um tanque sob a
condição de submersão por um período de 24 horas. Esse procedimento foi
repetido para os intervalos de tempo relativo aos três dias (e3 – 72 horas), sete
dias (e7 – 168 horas), 14 dias (e14 – 336 horas) e 56 dias (e56 – 1.344 horas)
após a medida inicial realizada na fixação dos pinos (e0). Na Figura 3.13 é
possível observar uma medida de expansibilidade sendo realizada com o uso de
um paquímetro.
50
Figura 3.13 - Realização das medidas de expansibilidade.
3.2.3.6. Determinação da uniformidade
O ensaio de uniformidade foi realizado de acordo com a NBR 6136 (ABNT,
2006). As amostras foram extraídas de forma representativa, sendo coletados
seis elementos para cada 300m2 do lote, e adicionada mais uma peça à amostra
a cada 50m2, até o limite máximo de 32 elementos. Cada lote tinha que conter
no máximo 1600m2, em conformidade com a NBR 9781 (ABNT, 1987).
Para a determinação da uniformidade dos elementos foram medidas as massas
e as dimensões externas dos elementos.
3.2.3.7. Determinação da resistência à compressão
A resistência à compressão simples (σC) foi determinada individualmente para
cada corpo-de-prova e expressa pela média de suas repetições. Sua
determinação foi especificada pela NBR 9780 (ABNT, 1987) que descreve o
51
procedimento de ensaio de determinação da resistência à compressão de
elementos pré-moldados de concreto destinados à pavimentação de vias
urbanas, pátios de estacionamento ou similares. O carregamento foi conduzido
continuamente, com velocidade de aplicação entre 300 kPa/s e 800 kPa/s.
Nenhum ajustamento foi feito nos controles da máquina de ensaio quando a
peça aproximou-se da ruptura e o carregamento deve prosseguiu até a ruptura
completa da peça. A resistência à compressão (em MPa) da peça foi obtida
dividindo-se a carga de ruptura (em N) pela área de carregamento (em mm2),
multiplicando o resultado pelo fator “p”, função da altura da peça, conforme
3 - LM (1) - Amostra Bruta - Limites máximos da ABNT NBR 10004:2004 Lixiviado - Limites máximos segundo anexo F da ABNT NBR 10004:2004. Solubilizado - Limites máximos segundo anexo G da ABNT NBR 10004:2004.
4 - n.d.: - não detectado
5 - * O ensaio da amostra do elemento de concreto para pavimentação com a escória de aciaria da Usiminas –
Unidade Ipatinga não foi realizado
De acordo com os ensaios de lixiviação e solubilização realizados, os elementos
de concreto para pavimentação produzidos com agregados naturais e reciclados
de escória de aciaria foram caracterizadas como resíduo como Classe IIA
(resíduo não inerte).
77
5 CONCLUSÃO
A análise dos resultados desenvolvido neste trabalho conduz as seguintes
conclusões:
1- sobre os agregados de escória de aciaria:
Os teores de umidade dos agregados de escória de aciaria apresentaram
valores inferiores aos agregados naturais, o que induz a um comportamento
igual ou superior.
O teor de materiais metálicos ferrosos dos agregados reciclados de
escórias de aciaria estão aceitáveis para utilização, por apresentarem
resultados inferiores a 2,5%, enquanto os parâmetros aceitáveis é de no
máximo de 5% de metais.
A granulometria dos agregados reciclados de escórias de aciaria apresenta-
se próxima e similar ao agregado natural, dentro da faixa granulométrica
ideal para produção de elementos de concreto para pavimentação.
A massa unitária dos agregados reciclados de escória apresentam valores
superiores aos valores típicos de agregados naturais comumente utilizados
na fabricação dos elementos para pavimentação.
A massa específica dos agregados reciclados de escória de aciaria
apresentaram-se superiores que os agregados naturais.
O material pulverulento dos agregados reciclados de escória de aciaria
apresentaram valores inferiores ao máximo estipulado pela norma.
Todos os resultados da caracterização física dos agregados de escória de
aciaria apresentaram propriedades de interesse para produção de
elementos de concreto para pavimentação equivalente ou superior aos
agregados comumente utilizados para esse fim.
2 – Sobre os elementos de concreto produzidos com agregados de escória de
aciaria:
78
A absorção de água dos elementos de concreto confeccionados com
agregados reciclados de escória de aciaria alcançaram valores menores
que os confeccionados com agregados convencionais.
O de índice de vazios dos elementos de concreto confeccionados com
agregados de escória de aciaria alcançaram menores valores de índice de
vazios, indicando concretos menos porosos o que induz a elementos de
maior durabilidade.
A massa especifica seca dos elementos de concreto confeccionados com
agregados de escória de aciaria alcançaram maiores valores de massa
especifica seca, corroborando com os resultados de absorção de água e de
índices de vazios. Apresentam massas especificas secas no mínimo 8%
maior que a massa especifica seca dos elementos confeccionados com
agregados naturais.
A massa especifica saturada dos elementos de concreto confeccionados
com agregados de escória de aciaria apresentaram valores maiores em
relação aos elementos confeccionados com agregados naturais.
A expansibilidade realizada nos elementos de concreto confeccionados
com agregados de escória de aciaria não apresentou expansão
significativa.
Os parâmetros relacionados à geometria, estabilidade dimensional,
absorção e porosidade de elementos de concreto produzidos com
substituição parcial de agregados naturais por agregados artificiais de
escória de aciaria, igualam-se ou superam aos apresentados pelos
produzidos com agregados naturais.
A resistências à compressão simples do concreto confeccionado com
agregados reciclados de escória de aciaria apresentou valores de
resistência nas idades de 56 dias, próxima à resistência dos elementos de
concreto confeccionados com agregado natural com a vantagem de ter
apresentados valores bem superiores nas idades iniciais.
As resistências à flexão do concreto confeccionado com agregados
reciclados de escória de aciaria apresentaram resultados de resistência
superiores aos elementos confeccionados com agregados naturais em
todas as idades.
79
Os resultados das resistências médias à tração na flexão correlacionados
com os valores de compressão simples, dos elementos de concretos para
pavimentação nas idades de 3, 7, 14 e 56 dias. Os resultados indicam uma
relação linear entre tração na flexão e compressão simples, com o
coeficiente de determinação da reta (R2) igual 0,95. Salienta-se que o
coeficiente de variação dos resultados de compressão, considerando-se as
amostras, de diferentes origens, foi igual 9% na idade de 7 dias e 2% na
idade de 56 dias. Nos resultados de tração na flexão, variando de 3 % na
idade de 7 dias e 8% na idade de 14 dias. Estes resultados indicam uma
homogeneidade entre os resultados.
O desempenho mecânico dos elementos de concreto produzidos a partir da
substituição parcial de agregados naturais por agregados artificiais de
escória de aciaria, apresentam parâmetros que atendem as normas
nacionais e ainda superam algumas propriedades dos elementos de
concreto para pavimentação produzidos com agregados naturais.
A análise química realizada para os elementos de concreto confeccionado
com agregados de escória de aciaria, de lixiviação e solubilização
apresentou como resultado resíduo como Classe IIA (resíduo não inerte).
Os resultados da caracterização física, química e ambiental do concreto
confeccionado com substituição do agregado natural por agregado
reciclado de escória de aciaria possuem propriedades de interesse para
produção de elementos de concreto para pavimentação equivalente ou
superior aos agregados comumente utilizados para esse fim.
O potencial contaminante ambiental dos elementos de concreto produzidos
com agregados reciclados de escória de aciaria mostram que não existe
nenhum impedimento ao uso da substituição proposta pois foi classificada
como Classe IIA – não inerte.
O agregado de escória de aciaria apresentou-se capaz de substituir
parcialmente os agregados naturais em misturas concretos para fabricação
de elementos para pavimentação.
O comportamento do agregado de escória de aciaria estudado indica
grande potencial de uso na produção de elementos para pavimentação.
80
A extrapolação destes resultados pode sugerir o potencial de uso deste
material como agregado de camadas de pavimentos em concreto de
cimento Portland.
O presente trabalho, por fim, conclui que a utilização de agregado de escória de
aciaria para a produção de elementos de concreto para pavimentação é viável e
de interesse técnico, ambiental e sustentável.
81
6 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
O presente trabalho sugere como propostas para trabalhos futuros:
avaliação do desempenho de uso das elementos de concreto para
pavimentação produzidas em simulação experimental para carregamento
em condição de utilização em pista de rodagem em escala reduzida;
avaliação do comportamento das elementos de concreto para
pavimentação aplicadas em ambientes agressivos;
avaliação da expansibilidade das elementos de concreto para
pavimentação sujeitas à condições extremas de utilização de
carregamento, temperatura e umidade.
82
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Apêndice E Tabela E.1 – Resultados da expansibilidade dos elementos de concreto para pavimentação.
Medidas de expansibilidade dos elementos de concreto em (mm).
Amostras 3 dias 7 dias 14 dias 56 dias
natural 104,62 104,67 104,86 104,86
Ipatinga 108,73 108,84 108,84 108,84
João Monlevade 111,69 111,86 111,83 111,85
Piracicaba 110,07 110,04 110,07 110,09
Juiz de Fora 101,55 101,59 101,55 101,55
102
Apêndice F Tabela F.1–Resultados de compressão simples dos elementos de concreto
para pavimentação.
Resultados dos ensaios de compressão simples (MPA) idade 3 dias
Numero de elementos
Natural Ipatinga João Monlevade
Piracicaba Juiz de fora
CP 1 34,64 33,55 38,11 35,26 33,56
CP 2 35,52 33,36 40,02 35,67 34,62
CP 3 37,08 34,73 43,06 37,72 34,50
CP 4 37,30 35,79 39,90 39,31 38,21
CP 5 38,36 37,67 39,41 39,65 33,47
CP 6 39,65 37,85 40,00 41,77 41,09
média 37,09 35,74 40,06 38,72 35,01
Resultados dos ensaios de compressão simples (MPA) idade 7 dias
Numero de elementos
Natural Ipatinga João Monlevade
Piracicaba Juiz de fora
CP 1 34,31 37,87 37,27 47,61 42,66
CP 2 34,31 45,07 37,78 49,08 37,36
CP 3 35,05 42,86 40,75 48,67 43,48
CP 4 42,10 40,12 42,85 48,98 43,28
CP 5 40,02 47,60 49,69 50,57 47,71
CP 6 47,61 49,06 50,26 49,37 47,60
média 38,11 43,12 43,21 49,23 43,11
Resultados dos ensaios de compressão simples (MPA) idade 14 dias
Numero de elementos
Natural Ipatinga João Monlevade
Piracicaba Juiz de fora
CP 1 31,29 44,87 38,86 47,74 42,97
CP 2 36,56 46,83 46,33 46,87 44,53
CP 3 40,12 45,91 42,02 50,56 42,30
CP 4 42,73 43,78 47,45 48,08 43,66
CP 5 43,04 46,55 42,85 51,08 45,27
CP 6 47,02 48,30 50,09 50,92 45,40
média 40,13 46,33 44,02 49,12 44,12
Resultados dos ensaios de compressão simples (MPA) idade 56 dias
Numero de elementos
Natural Ipatinga João Monlevade
Piracicaba Juiz de fora
CP 1 52,46 51,52 50,25 48,72 50,45
CP 2 52,55 52,23 50,26 46,76 50,94
CP 3 49,42 53,18 49,83 47,40 50,13
CP 4 52,14 51,20 49,95 46,74 50,06
CP 5 53,18 52,56 50,46 51,51 49,52
CP 6 52,55 53,18 49,71 53,60 49,67
média 52,01 52,23 50,01 49,11 50,21
103
Apêndice G Tabela G.1–Resultados de tração na flexão dos elementos de concreto para pavimentação.
Resultados dos ensaios de tração na flexão (MPA) idade 3 dias
Numero de elementos
Natural Ipatinga João Monlevade
Piracicaba Juiz de fora
CP 1 9,96 10,65 9,90 11,46 14,32
CP 2 12,14 12,14 10,46 12,33 13,01
CP 3 12,57 10,71 11,89 10,33 12,33
CP 4 9,28 11,89 12,45 13,32 11,45
CP 5 9,78 12,39 10,52 11,33 10,15
média 10,75 11,55 11,04 11,75 12,25
Resultados dos ensaios de tração na flexão (MPA) idade 7 dias
Numero de elementos
Natural Ipatinga João Monlevade
Piracicaba Juiz de fora
CP 1 10,83 11,21 12,82 9,77 11,27
CP 2 13,57 13,07 14,94 15,31 13,28
CP 3 13,20 11,39 13,82 13,01 14,75
CP 4 12,51 13,82 13,70 13,45 10,46
CP 5 12,45 12,79 12,51 13,20 12,08
média 12,51 12,46 13,56 12,95 12,37
Resultados dos ensaios de tração na flexão (MPA) idade 14 dias
Numero de elementos
Natural Ipatinga João Monlevade
Piracicaba Juiz de fora
CP 1 12,46 14,54 12,46 15,43 14,06
CP 2 14,26 15,95 13,97 16,11 11,50
CP 3 12,44 12,36 12,95 14,90 13,48
CP 4 12,77 15,25 13,94 14,94 11,21
CP 5 11,45 14,07 10,66 14,35 14,02
média 12,68 12,43 12,60 15,14 12,85
Resultados dos ensaios de tração na flexão (MPA) idade 56 dias
Numero de elementos
Natural Ipatinga João Monlevade
Piracicaba Juiz de fora
CP 1 14,32 15,94 14,90 11,53 15,86
CP 2 12,23 14,59 11,72 15,17 14,75
CP 3 10,86 15,86 16,59 14,92 14,21
CP 4 14,04 12,71 12,45 16,80 18,46
CP 5 11,88 15,13 16,02 13,41 12,64
média 12,67 14,85 14,34 14,37 15,19
104
Apêndice H Tabela H.1–Resultados das médias de tração na flexão dos elementos de concreto para pavimentação.
Resultados das médias dos ensaios de tração na flexão das amostras (Mpa).
Amostras 3 dias 7 dias 14 dias 56 dias
natural 10,75 12,51 12,68 13,12
Ipatinga 11,55 12,46 14,95 15,38
João Monlevade 11,04 13,21 13,08 14,34
Piracicaba 11,75 12,95 14,90 15,07
Juiz de Fora 12,25 12,34 12,85 15,19
Tabela H.2–Resultados das médias de compressão simples dos elementos de concreto para pavimentação. Resultados das médias dos ensaios de compressão simples das amostras (Mpa).
Amostras 3 dias 7 dias 14 dias 56 dias
natural 37,09 38,11 40,13 52,01
Ipatinga 35,74 43,12 46,33 52,23
João Monlevade 40,06 43,21 44,02 50,01
Piracicaba 38,72 49,23 49,12 49,11
Juiz de Fora 35,01 43,11 44,12 50,21
105
Apêndice I Tabela I.1 – medidas de comprimento, largura, altura e peso dos elementos de concreto para pavimentação.
Medidas (geometria) dos elementos de concreto em (mm).