UFOP - CETEC - UEMG REDEMAT REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS UFOP – CETEC – UEMG Tese de Doutorado "Utilização de resíduos da exploração do itabirito em pavimentos intertravados” Autor: Carolina Braccini Freire Orientador: Prof. Fernando Soares Lameiras Julho de 2012
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TESE CAROL vers o FINAL impress o ) - redemat.ufop.br · Desesperadamente, eu sei que vou te amar”. (Vinícius de Moraes) Aos meus irmãos, Waguinho e Felipe, amigos de verdade,
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UFOP - CETEC - UEMG
REDEMATREDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP – CETEC – UEMG
Tese de Doutorado
"Utilização de resíduos da exploração do itabirito em pavimentos intertravados”
Autor: Carolina Braccini Freire Orientador: Prof. Fernando Soares Lameiras
Julho de 2012
UFOP - CETEC - UEMG
REDEMATREDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP – CETEC – UEMG
Carolina Braccini Freire
“Utilização de resíduos da exploração do itabirito em pavimentos intertravados”
F866u Freire, Carolina Braccini. Utilização de resíduos da exploração do itabirito em pavimentos
intertravados [manuscrito] / Carolina Braccini Freire – 2012. xxiii, 189 f.: il. color.; grafs.; tabs.; mapas. Orientador: Prof. Dr. Fernando Soares Lameiras.
Tese (Doutorado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de Minas. Rede Temática em Engenharia de Materiais.
Área de concentração: Processos de Fabricação.
1. Itabirito - Exploração - Teses. 2. Minas e mineração - Resíduos - Teses. 3. Cimentação - Teses. 4. Blocos intertravados - Teses. 5. Pavimentação - Teses. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.
CDU: 693.7:622.7
i
OFEREÇO
À minha mãe Dora. “Eu sei que vou te amar. Por toda minha vida, eu vou te amar (...) Desesperadamente, eu sei que vou te amar”. (Vinícius de Moraes) Aos meus irmãos, Waguinho e Felipe, amigos de verdade, sempre presentes. Ao meu amor Vinícius, por fazer os dias ficarem mais leves, pela companhia divina, por me ensinar tanto... Hoje eu sou muito melhor, graças a você!!!
Dedico esse trabalho e toda minha realização profissional ao meu pai querido Wagner Freire.
Amor eterno e incondicional.
ii
AGRADECIMENTOS
Ao orientador Prof. Dr. Fernando Lameiras, pela confiança depositada para realização deste
valioso presente, pelo apoio e pela disponibilidade constante. Registro aqui os meus mais
sinceros agradecimentos.
À Dra. Clédola Cássia, pela coorientação, amizade e incentivo sempre demonstrados.
Aos colegas de trabalho e amigos Paulo Henrique, Shubert e Valéria, por todo o apoio
prestado durante o desenvolvimento desse trabalho, pela amizade e dedicação.
Ao pessoal do LABCIM (Laboratório de Cimentação) do CDTN, Adair, Donizete, Judite,
Juscelino e Sandro, pela disponibilidade na realização dos ensaios de cimentação, pela força
(em todos os sentidos) e pelo carinho.
Aos alunos da iniciação científica do SEGRE/CDTN, Marina Duarte, Marina Lucas e
Glaucimar, pelo auxílio na realização de ensaios.
Ao José Aury de Aquino, José Donato de Souza, Waldeir Estevão de Paula Jr do CDTN, pelo
apoio na preparação e caracterização do resíduo.
Ao Luis Carlos da Silva do CDTN, pelas análises de Absorção Atômica e Fluorescência de
Raios X.
Aos técnicos do Laboratório de Microscopia Eletrônica e Microanálises (Consórcio Física-
Quimica-Geologia/UFMG - CDTN/CNEN) pela realização de ensaios.
À Maria Ângela de Menezes do Serviço de Química e Radioquímica, SERTA/CDTN, pelas
análises por Ativação Neutrônica.
Aos técnicos do Laboratório do Núcleo de Combustível NUCCOM/CDTN, pelas análises de
Infravermelho.
Ao Dr. Jarbas Magalhães Resende do Laboratório de Ressonância Magnética Nuclear de Alta
Resolução LAREMAR/UFMG, pelas análises de Ressonância Magnética Nuclear.
Ao Prof. Marcus Valadares, por se dispor nas correções do abstract.
À coordenação e aos professores do Programa de Pós Graduação da REDEMAT, pela
disponibilidade e oportunidade oferecida.
Aos amigos e companheiros da pós-graduação da REDEMAT.
iii
Ao CDTN pela disponibilização de toda sua infraestrutura.
À Capes, pela bolsa e financiamentos concedidos.
À FUNDEP e à FAPEMIG pelo apoio financeiro ao projeto.
À SAMARCO pela disponibilização de amostras e informações.
A todos os pesquisadores e funcionários do CDTN, que direta ou indiretamente contribuíram
para realização deste trabalho.
A todo pessoal do SEGRE/CDTN, por serem minha segunda família e por todos os momentos
de descontração e alegria que passamos juntos.
Enfim, agradeço a Deus, pela saúde, pela superação, pela família que tenho, pela paciência e
pela força adquiridas, durante todo o percurso desta jornada.
iv
SUMÁRIO
ÍNDICE DE FIGURAS ...................................................................................................... viii
ÍNDICE DE TABELAS ....................................................................................................... xv
LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS ..........................................................................xix
A Óxidos de alumínio AA Absorção Atômica ASTM American Society for Testing and Materials a/c Razão água-cimento AAN Análise por Ativação Neutrônica ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ANOVA Analysis of Variance CDTN Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear C Óxido de cálcio C3A Aluminato de cálcio C4AF Ferroaluminato de cálcio CFEM Compensação Financeira pela Exploração de Recursos Minerais C3S Silicato tricálcico C2S Silicato dicálcico C-S-H Silicato hidratado de cálcio CšH2 Gipsita cp CP
Corpo de prova Cimento Portland
DNPM Departamento Nacional de Produção Mineral DL Dose letal DRX Difração de raios X EDS Energy dispersive spectrometry F Óxidos de ferro FIEMG Federação das Indústrias do Estado de Minas Gerais FTIR Fourier Transformed Infrared H Hidrogênio IBRAM IC
Instituto Brasileiro de Mineração Intervalo de Confiança
ICP Inductively Cupled Plasma MEV Microscopia Eletrônica de Varredura MF Módulo de Finura m Massa NBR Norma brasileira nm Nanômetro NUCTEC Núcleo de Tecnologia do Combustível Pa.s Pascal vezes segundo PORMIM Portal de Apoio do Pequeno Produtor Mineral rpm Rotações por minuto
xx
RC RMN
Resistência à Compressão Ressonância Magnética Nuclear
RT Rotina técnica S Silicatos SI Sistema Internacional V Volume # Mesh, referente à abertura de peneiras
θ Ângulo de difração
λ Comprimento de onda
µm Micrômetro ρa Massa específica da água
xxi
RESUMO
A exploração da areia de rio no estado de Minas Gerais como agregado na indústria da
construção civil vem crescendo gradativamente. Por ser uma atividade predatória e informal,
a busca por novas alternativas de materiais como agregado se torna cada vez mais evidente.
Em contrapartida, o beneficiamento do itabirito como minério de ferro gera enormes
quantidades de resíduo, que se encontra estocado em barragens/pilhas. Por estar muito
disponível, foi proposto investigar sua utilização como agregado em blocos de pavimentação,
visando ao seu aproveitamento e substituição de agregados naturais. Desta forma, o resíduo
foi classificado segundo normas ambientais e caracterizado quanto às suas propriedades
granulométricas, físicas, elementares, mineralógicas e morfológicas. A técnica de
cimentação, já bem compreendida na etapa de condicionamento/imobilização da Gerência de
Rejeitos Radioativos, foi utilizada para auxiliar na confecção de diferentes formulações de
argamassas, por meio do planejamento fatorial, variando-se o traço, a relação água/cimento
e o tipo de cimento utilizado. As respostas verificadas nas argamassas frescas foram
viscosidade, densidade e tempo de pega e nos produtos solidificados, a densidade, o índice de
vazios e a resistência à compressão em diferentes idades (7, 28, 90, 150 e 300 dias). Os
resultados indicaram que dos 90 aos 300 dias apenas o traço é significativo para a
resistência à compressão, sendo maiores para as argamassas com o traço 1:2 e que, após
esse tempo, todos os resultados não são mais diferentes entre si, com 10% de significância.
Foram testados também dois superplastificantes e dois pigmentos, na formulação escolhida
que apresentou melhor custo benefício (cimento CPV, traço 1:2,5 e relação água/cimento
igual a 0,80). Por apresentarem resultados distintos, principalmente com relação à
resistência à compressão (o superplastificante Viscocrete 20HE apresentou maior valor a
0,9% em massa de cimento e o Viscocrete 5700, a 0,3%), os superplastificantes foram
caracterizados quanto às suas propriedades físico-químicas, composição química e
característica estrutural e os resultados de porcentagem de enxofre e de presença de grupos
aromáticos na estrutura do 5700 justificaram essas diferenças. O uso de pigmentos aumentou
a resistência dos corpos de prova e foi mais efetivo para o pigmento vermelho aos 16% (de
13,13 para 18,09MPa) e aos 8% de pigmento natural (de 13,13 para 16,16MPa), sendo que
esses resultados não foram diferentes entre si. Uma instalação piloto também foi projetada
para averiguar a reprodução dos resultados obtidos em laboratório. Os resultados indicaram
que ocorreu repetitividade, mas não reprodutibilidade e uma possível justificativa para isso
xxii
foi o fato de que os resíduos utilizados em cada situação apresentavam teores de umidade
diferentes. O resíduo utilizado em escala piloto estava com teor de umidade acima da
umidade crítica e, por isso, o coeficiente de inchamento médio, CIM, deveria ter sido
utilizado no cálculo do volume de agregado úmido. Foi possível, portanto, produzir blocos de
pavimentação utilizando o resíduo como agregado em escala piloto e eles podem ser
utilizados em calçadas e estacionamentos.
xxiii
ABSTRACT
The exploitation of river sand in Minas Gerais as aggregate in the construction industry has
been gradually growing. Because it is an informal and predatory activity, the demand for new
alternative materials such as aggregate becomes even more evident. In contrast, the
processing of itabirite as iron ore generates huge amounts of waste that are stored in dams.
Because it is available, it was proposed to investigate its use as aggregate in block paving in
replacement the natural aggregates. Thus, the waste was classified according to
environmental standards and characterized as its particle size distribution, physical,
elemental, mineralogical and morphological characteristics. Cementation process, as well
understood in the immobilization of Radioactive Waste Management, was used to prepared
mortars of different formulations, varying the cement, the cement to aggregate proportion and
the water/cement ratio in accord to a factorial design. The responses evaluated were
viscosity, density, setting time, void ratio and compressive strength at different ages (7, 28,
90, 150 and 300 days). The results indicated that from 90 to 300 days only the cement to
aggregate proportion was significant to the compressive strength, being greater for the
mortar to proportion 1:2 and, after this time, all results for this response are not more
different, with 10% significance level. Two different types of additives and pigments were also
evaluated in the best mortar formulation (CPV cement, cement to aggregate proportion 1:2.5
and water/cement ratio 0.80). Because there were different results, especially related to the
compressive strength (the superplasticizer Viscocrete 20HE showed higher values with 0.9%
cement mass concentration than Viscocrete 5700, with 0.3%), the superplasticizers were
characterized by their physicochemical properties, chemical composition and structural
characteristics. The results of % sulfur and the presence of aromatic groups in the structure
of the 5700 explained these differences. The use of pigments increased the strength of the
products and was more effective for the red pigment with 16% (13.13-18.09MPa) and 8% for
the natural pigment (13.13-16.16MPa), and these results were not different. A pilot plant was
also designed to evaluate reproducibility of the results obtained in the laboratory. The results
indicated that there was repetition, but not reproducibility because the waste used in each
case had different moisture contents. The plant pilot waste had moisture content above the
critical moisture and, therefore, the swelling coefficient should have been used in the
calculation of the volume of aggregate wet. Therefore, the pilot-scale production was possible
and the blocks can be used on sidewalk and parking.
1
1 INTRODUÇÃO
O itabirito é uma rocha constituída de camadas com predominância de sílica (quartzo)
e óxido de ferro que se alternam com espessuras da ordem de milímetros a alguns
centímetros, em que este último é principalmente a hematita. As reservas de itabirito na região
do Quadrilátero Ferrífero de Minas Gerais são significativas. Sua exploração como minério de
ferro demanda a separação da sílica por processos físico-químicos, o que requer a moagem da
rocha até finas granulometrias, a flotação da sílica em meio aquoso e a aglomeração da
hematita em forma de pelotas. O resíduo desse processo é constituído de sílica (quartzo) e
hematita que não pôde ser extraída. Eles são produzidos em duas formas: uma delas tem
granulometria arenosa, constituída de partículas de sílica (correspondente a mais de 80% em
peso) e de hematita; a outra apresenta tamanho fino de grão, constituído de óxido de ferro
hidratado (goethita) e sílica, com granulometria de argila, que forma uma lama quando é
misturada com a água. Estudos anteriores realizados pelo Grupo de Pesquisa do CDTN
(LAMEIRAS, 2008) indicaram a possibilidade técnica da utilização do resíduo arenoso para
obtenção de produtos cimentícios em substituição à areia de rio, cuja extração causa muitos
impactos ambientais e econômicos negativos. Entretanto, a fina granulometria do resíduo e o
seu teor de hematita requerem alterações do procedimento usual da formulação e confecção
da argamassa. Além disso, o papel dos aditivos superplastificantes, necessários nessa
formulação, bem como suas composições e estruturas, devem ser mais bem compreendidos.
1.1 Problema da Pesquisa
O problema da pesquisa é verificar se é possível confeccionar blocos para
pavimentação utilizando o resíduo arenoso gerado da exploração do itabirito, modificando os
padrões usuais de produção, e utilizando superplastificantes comerciais, com o objetivo de
melhorar a dispersão do cimento entre os grãos do resíduo arenoso e a fase aquosa, a
trabalhabilidade da argamassa e reduzir o teor de água na pasta, mantendo a qualidade do
produto final.
2
1.2 Relevância do Trabalho
A geração dos resíduos da exploração do itabirito é muito grande. Somente a Samarco
Mineração S.A. produz cerca de 40 mil toneladas por dia (SAMARCO, 2008). Eles são
estocados em barragens/pilhas ou utilizados para preenchimento de cavas de mineração. As
barragens demandam permanente monitoramento a alto custo, além de já estarem perto do
limite de suas capacidades. A grande disponibilidade dos resíduos torna-os matérias-primas
importantes e estratégicas para vários segmentos industriais. Um deles é a fabricação de
produtos cimentícios. Há dois benefícios ambientais com essa possibilidade: utilização dos
resíduos da extração do itabirito em grande quantidade, o que atenua o problema da
estocagem em barragens/pilhas, e a substituição da areia de rio, cuja extração causa vários
impactos ambientais. Estima-se que o consumo de areia natural em Belo Horizonte seja da
ordem de 10 mil toneladas por dia, com base no consumo de cimento. Por outro lado, a
utilização de blocos para pavimentação do tipo intertravado é um conceito moderno de
pavimentação, com menor impacto ambiental. Os estudos realizados em projetos anteriores
indicam que o custo da colocação (transporte para utilização) dos resíduos na região
metropolitana de Belo Horizonte é significativamente menor do que aquele da areia de rio
(LAMEIRAS, 2008).
3
2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo Geral
Estudar e avaliar as propriedades das argamassas confeccionadas com o resíduo da
exploração do itabirito fornecido pela Samarco Mineração e, a partir dos resultados, testar e
realizar ensaios de reprodutibilidade em planta piloto para o controle de qualidade da
produção de blocos intertravados, utilizando as melhores formulações testadas em laboratório.
2.2 Objetivos Específicos
1. Caracterizar o resíduo arenoso fornecido pela Samarco Mineração em relação à
composição, à morfologia e à granulometria;
2. Comparar a composição, a morfologia e a granulometria do resíduo arenoso com as da
areia de rio;
3. Classificar o resíduo arenoso segundo a norma técnica ABNT NBR 10004 - Resíduos
Sólidos – Classificação;
4. Selecionar os fatores e seus níveis para realização do planejamento fatorial dos
experimentos e confecção de diferentes argamassas;
5. Analisar as propriedades das argamassas confeccionadas com resíduo arenoso;
6. Investigar a influência de plastificantes e pigmentos sobre as propriedades reológicas,
de cura e mecânicas dos produtos cimentícios obtidos com o resíduo arenoso;
7. Caracterizar os superplastificantes utilizados por meio de análises físico-químicas,
elementares e estruturais;
8. Definir as formulações e as condições a serem testadas em escala piloto; e
9. Verificar a reprodutibilidade da produção de blocos para pavimentação na planta
piloto.
4
3 REFERENCIAL TEÓRICO
3.1 Economia Mineral Brasileira
O Brasil possui 11,3% das reservas mundiais de minério de ferro que totalizam cerca
de 180 bilhões de toneladas. As reservas brasileiras, com um teor médio de 56,1% de ferro,
estão localizadas nos estados de Minas Gerais (63,1%), Pará (18%) e Mato Grosso do Sul
(17,2%). A produção mundial de minério de ferro em 2010 foi de cerca de 2,4 bilhão de
toneladas. A produção brasileira representou 15,5% da produção mundial e Minas Gerais é o
estado que mais produz, com 69,9% da produção, seguido pelo estado do Pará, com 27,7%,
sendo que neste o ferro é extraído principalmente da hematita (cerca de 60% de ferro) e em
Minas predominantemente do itabirito (cerca de 50% de ferro) (JESUS, 2011). No Brasil, as
maiores empresas produtoras do minério são a VALE com participação da Minerações
Brasileiras Reunidas S/A-MBR e da Samarco Mineração S/A, ambas em Minas Gerais, que
foram responsáveis por 83,4% da produção. Destacaram-se também as empresas: Companhia
Siderúrgica Nacional-CSN, USIMINAS, Nacional de Minérios S/A-NAMISA, Companhia de
Mineração Serra da Farofa e V & M do Brasil no estado de Minas Gerais e Anglo Ferrous
Amapá (JESUS, 2011; IBRAM, 2010).
Os recursos econômicos de ferro aumentaram mundialmente, especialmente no pós-
guerra, seja impulsionado por pesquisas geológicas, seja por medidas que alteraram o perfil
de aproveitamento dos minérios finos que, por aglomeração, passaram para a categoria de
econômicos. A partir de então e até os anos oitenta, a incorporação dos itabiritos às reservas
no Estado de Minas Gerais e a descoberta da província mineral de Carajás no Pará permitiram
um crescimento substancial na evolução dos recursos econômicos de ferro no Brasil. A
distribuição desses recursos está localizada especialmente em três estados da federação:
Minas Gerais com 68%, Pará com 29% e Mato Grosso do Sul com 2%. Assim, o Brasil pode
ser considerado, em termos mundiais, como um dos maiores possuidores de recursos
identificados dessa matéria-prima, sendo o quinto colocado entre os países detentores de
maiores quantidades deste minério, com quase 11% das reservas mundiais de ferro (JESUS,
2011).
Fator importante na determinação das reservas é a sua porção economicamente
lavrável, em que se leva em conta a dimensão econômica, considerando os efeitos dos preços,
5
custos, tecnologia, fatores ambientais e sociais. Esta porção pode ser classificada como
reserva provada e quantificada como a reserva medida (aquela atualmente em processo de
extração). O perfil destas reservas mostra Minas Gerais com 81%, Pará com 12% e Mato
Grosso do Sul com 6%. No “Quadrilátero Ferrífero”, em Minas Gerais, o teor médio do ferro
é 43,6%, no Pará, predominam as hematitas com teores médios de 67,6% de Fe contido e no
Mato Grosso do Sul o teor médio representa 55,6% de Fe (JESUS, 2011).
O minério bruto (hematita com teor médio de 60% de Fe e itabirito com teor médio de
50% de Fe) gera, após beneficiamento nas usinas, produtos classificados como granulados e
finos que são destinados ao mercado interno e à exportação. No aproveitamento comercial,
em geral, o granulado é de utilização direta nos fornos de redução (gusa) e os minérios finos
são utilizados nos processos de aglomeração em sinterização e pelotização, para produção do
sínter (usinas siderúrgicas integradas) e pelotas (usinas de pelotização) para posterior adição
nos fornos de redução (QUARESMA, 2001).
A produção mundial de minério de ferro dobrou em alguns anos, passando de 1.160
milhões de toneladas, em 2003, para 2.400 milhões de toneladas, em 2010. A Austrália é a
maior produtora com 394 milhões de toneladas e o Brasil o segundo com 370 milhões de
toneladas em 2010 (IBRAM, 2010).
3.2 Minério de Itabirito
O Quadrilátero ferrífero compreende uma área de aproximadamente 7.000km2, na
porção central do Estado de Minas Gerais, e constitui uma das áreas clássicas da geologia pré-
cambriana do mundo (MAPA, 2006). Segundo DORR (2006), o Quadrilátero Ferrífero de
Minas Gerais foi assim denominado devido aos vastos depósitos de formações ferríferas, que
ocorrem de forma grosseiramente quadrangular (ROSIÈRE e CHEMALE, 2000), numa área
limitada pelas linhas que ligam Itabira, Rio Piracicaba, Mariana, Congonhas do Campo, Casa
Branca e Itaúna.
O grupo Itabira, situado na região do Quadrilátero Ferrífero, uma das principais
regiões produtoras de minério de ferro do mundo, é constituído por um conjunto de formações
ferríferas metamórficas dentre as quais podemos citar os itabiritos, os dolomitos ferruginosos
e os filitos hematíticos (ROSIÈRE e CHEMALE, 2000). Ele faz parte de um dos quatro
grupos que compõe o Supergrupo Minas e apresenta a sequência mais espessa de formações
6
ferríticas bandadas com corpos de minério de alto teor economicamente exploráveis
(ESCHWEG apud ROSIÈRE, et al., 2008).
O termo itabirito era desconhecido na Europa e foi citado pela primeira vez no
“Quadro Geognóstico do Brasil”, em 1822, pelo geólogo alemão Wilhelm Ludwig Von
Eschwege, também Barão de Eschwege (1777 - 1855). Neste trabalho, há a descrição
macroscópica e os principais tipos de rocha encontrados no Brasil, bem como a definição de
alguns novos termos que são utilizados até os dias atuais na nomenclatura geológica
internacional (RENGER, 2005). O nome “itabirito” foi adotado pelo antigo arraial de Itabira
do Campo, situado ao pé do Pico de Itabirito, em 1923, quando se emancipou de Ouro Preto
(RENGER, 2005).
Itabiritos são formações ferríferas metamórficas e fortemente oxidadas apresentando
descontinuamente corpos de minério de alto teor (>64% Fe), de morfologia mais ou menos
lenticular e dimensões variáveis desde alguns decímetros até centenas de metros (ROSIÈRE e
CHEMALE, 2000). Este tipo de formação é conhecido como formação ferrífera bandada
metamorfisada (BIF – Banded Iron Formation) e recebe o nome de “itabirito” apenas no
Brasil. O itabirito é caracterizado pela alternância de camadas de espessura centimétrica ou
milimétrica constituídas por quartzo (bandas claras) e óxidos de ferro (bandas escuras), de
acordo com a fotografia apresentada na Figura 3-1.
são lavradas cerca de 27 milhões de toneladas de minério
proveniente das minas de Alegria, situada na cidade de Mariana e operada pela unidade
que pertence a Samarco Mineração. Nesta são feitas as operações de
extração do minério, beneficiamento e o início do transporte do concentrado de minério de
ferro. O transporte é feito através de um mineroduto de 398km que liga essa unidade a outra
Ponta Ubú, situada no município de Anchieta, Espírito Santo, que possui operações
de preparação da polpa, pelotização, estocagem e embarque de pelotas de minério de ferro e
. O embarque é efetuado em porto próprio, sendo a produção exportada para
Europa, Ásia, África, Oriente Médio e Américas (TOLENTINO, 2010).
8
a depressão do minério, o depressor passa por um processo chamado de gelatinização, que
até a solução atingir pH = 10,5, o
na amilopectina, que é
de moléculas de glicose. Com esta quebra, expõem-
deste açúcar, promovendo a adsorção da goethita em suas paredes superficiais
é que ele representa exatamente o inverso daquele
(MASSI et al.,
a vista da parte superior de um tanque de flotação.
industria-mineral-4.html
são lavradas cerca de 27 milhões de toneladas de minério itabirítico,
a na cidade de Mariana e operada pela unidade
são feitas as operações de
rado de minério de
essa unidade a outra
que possui operações
ue de pelotas de minério de ferro e
. O embarque é efetuado em porto próprio, sendo a produção exportada para
9
3.2.2 Geração de resíduo arenoso
A exploração do itabirito como minério de ferro para a indústria siderúrgica gera, entre
outros, uma quantidade de resíduo arenoso da ordem de milhares de toneladas diárias
(MONTE, 2002).
O processo da exploração do minério de ferro contido no itabirito gera, durante a etapa
de flotação, grande quantidade de resíduo. Este resíduo apresenta característica arenosa, baixa
granulometria e, como ponto chave e ponto de partida para esse trabalho, grande
disponibilidade.
Nas atividades de mineração, duas das principais fontes de degradação ambiental são a
deposição do resíduo proveniente do processo de beneficiamento e a do estéril gerado na lavra
(IBRAM, 1987).
De acordo com a terminologia da área mineral, “estéril” é qualquer material não
aproveitável como minério e descartado durante a lavra e “resíduo” é o material descartado
proveniente das plantas de beneficiamento do minério. Uma planta de exploração de minério
gera resíduos de várias formas físicas, como lamas, lodos, líquidos e sólidos. Os resíduos na
forma sólida são geralmente armazenados em pilhas e, em alguns casos, são utilizados no
preenchimento de cavas da mineração. Esses resíduos são em geral minérios pobres, rochas,
resíduos finos e ultrafinos gerados no beneficiamento, dentre outros (PORMIN, 2008b).
A deposição inadequada dos resíduos pode causar vários impactos ambientais e
paisagísticos. Além disso, situações de risco, como o rompimento da barragem de efluentes
ou instabilidade geotécnica, podem ocorrer. Portanto, o desenvolvimento de uma estratégia de
gestão de resíduos é de extrema importância, sendo um processo complexo, pois visa a
conseguir um balanço razoável entre dois objetivos conflitantes: a maximização da redução
do risco de contaminação/poluição e a minimização de custos financeiros (PORMIN, 2008b).
A mineradora Samarco superou os 4,5 milhões de toneladas de resíduos gerados por
ano, segundo Monte et al. (2002). Somente em 2007, a mineradora gerou aproximadamente
9,6 milhões de toneladas e devido ao aumento de produção e elevação do preço do minério no
ano de 2008, a quantidade de resíduos gerados aumentou em sua barragens (VIEIRA, 2008).
Tudo isso requer armazenamento que demanda alto custo, uso do espaço de forma não nobre
e poluição visual e atmosférica provocada, principalmente, por particulados provindas dos
resíduos finos e ultrafinos (RIBEIRO e MORELLI, 2009). Na Figura 3-3 é apresentada uma
foto aérea em que é possível visualizar as dimensões ocupadas tanto pelas barragens de
resíduos, quanto pela área explorada por
semelhantes em tamanho, o que aumenta ainda mais a
como matéria-prima para novos produtos.
Figura 3-3 - Barragem de deposição de resíduos da mineração
3.3 Extração de areia
3.3.1 Extração da areia de rio para construção civil
Os agregados minerais –
minerais mais consumidas no mundo.
extrativo, cita-se como exemplo o consumo necessário para construir cada km de estrada
pavimentada, ou seja, cerca de 9.800 toneladas
A construção civil consome anualmente milhões de toneladas de agregados (areia e
brita) no Brasil. Em 2010 a produção de agregado no Brasil foi de 451 milhões de toneladas,
sendo que a de areia foi de 267 milhões de toneladas e há previsão que ela praticamente dobre
em 2022 (IBRAM, 2010). Além do mais,
ambientais e apresenta problemas relacionados com a informalidade.
(a)
quanto pela área explorada por essa mineradora. Observa-se que essas áreas são
que aumenta ainda mais a necessidade de utilizar esse
prima para novos produtos.
Barragem de deposição de resíduos da mineração: (a) barragem e (b) mina
Extração da areia de rio para construção civil - Impactos
– basicamente areia e pedra britada – são as substâncias
minerais mais consumidas no mundo. Para se ter uma ideia da magnitude deste processo
mplo o consumo necessário para construir cada km de estrada
cerca de 9.800 toneladas de agregado (IBRAM, 2010).
A construção civil consome anualmente milhões de toneladas de agregados (areia e
Em 2010 a produção de agregado no Brasil foi de 451 milhões de toneladas,
sendo que a de areia foi de 267 milhões de toneladas e há previsão que ela praticamente dobre
Além do mais, extração da areia de rio provoca muitos
problemas relacionados com a informalidade.
(a)
(b)
10
se que essas áreas são
necessidade de utilizar esses resíduos
: (a) barragem e (b) mina.
são as substâncias
Para se ter uma ideia da magnitude deste processo
mplo o consumo necessário para construir cada km de estrada
A construção civil consome anualmente milhões de toneladas de agregados (areia e
Em 2010 a produção de agregado no Brasil foi de 451 milhões de toneladas,
sendo que a de areia foi de 267 milhões de toneladas e há previsão que ela praticamente dobre
extração da areia de rio provoca muitos impactos
11
Conforme Leles et al. (2005) , a extração da areia de rio causa impactos positivos e
negativos, sendo que esses últimos são praticamente quatro vezes maiores. Como impactos
positivos citam-se: criação de emprego, contribuição para o desenvolvimento regional,
diminuição do assoreamento dos cursos d’água e da proliferação de vetores de doenças, já que
a vazão dos rios aumenta, e a crescente oferta de areia e da receita dos governos estaduais e
municipais em virtude da Compensação Financeira pela Exploração de Recursos Minerais
(CFEM).
Os impactos negativos causados no solo, na fauna, na água e no ar são inúmeros
(LELES et al., 2005). Com relação ao solo e a fauna, citam-se:
• diminuição da infiltração de água devido à compactação ocasionada pelo uso de
máquinas pesadas;
• depreciação de sua qualidade decorrente da diminuição da fertilidade;
• diminuição da plasticidade e aeração também promovida pela sua compactação;
• incidência de processos erosivos,
• danos à microbiota do solo em virtude da maior exposição deste às intempéries
decorrentes da retirada da vegetação;
• estresse da fauna silvestre e aquática provocado pelo ruído;
• aumento da possibilidade de ocorrer acidentes nos ambientes onde houve instabilidade
do solo, ocasionadas pela concentração de operações para extração de areia, além do
risco de acidentes para os banhistas, devido à formação de “panelões” pela ação das
dragas
Alguns impactos causados na água e no ar são:
• problemas relacionados à contaminação provenientes de maquinarias utilizadas nas
operações;
• aumento da concentração de partículas em suspensão na água (turbidez);
• depreciação da qualidade do ar;
• interferência na velocidade e direção do curso d’água, e
• diminuição da possibilidade de usos múltiplos da água, tendo em vista o aumento da
sua turbidez e a possibilidade da sua contaminação.
Podem-se citar, ainda, outros pontos negativos como os impactos visuais, associados
às instalações das estruturas, ao processo de retirada da vegetação, à estocagem da areia e à
12
descaracterização da paisagem natural; a probabilidade de ocorrência de acidentes
automobilísticos causados pela queda de areia nas estradas durante seu transporte e a
depreciação do patrimônio público, em virtude das trepidações ocorridas com o uso de
máquinas pesadas, podendo provocar avarias em pontes, estradas e construções próximas ao
local.
Portanto, a substituição da areia de rio pela areia resultante da exploração do itabirito
também é interessante para atenuar todos os impactos negativos citados e, ainda, os outros
decorrentes dos armazenamentos abusivos das barragens de resíduo resultantes da mineração.
A reutilização e a reciclagem dos resíduos podem ajudar a diminuir parte deste problema.
Portanto, esta substituição é algo que pode interessar tanto às mineradoras quanto aos
órgãos ambientais e ao governo.
3.3.2 A extração da areia de rio em Belo Horizonte
Estima-se que o consumo de areia de rio na Região Metropolitana de Belo Horizonte é
da ordem de 7 a 10 mil toneladas por dia. Essa estimativa é feita com base no consumo de
cimento na cidade (LAMEIRAS, 2008). Desta forma, esse grande consumo é algo que pode
interessar às mineradoras, pois atenuará o problema da estocagem do resíduo em barragens.
A extração de areia para suprir a Região Metropolitana de Belo Horizonte é feita
principalmente nos municípios de Fortuna de Minas, Cachoeira da Prata e Esmeraldas. As
fotos de satélite mostram os locais dessas atividades. Pode-se ver o tamanho do impacto
ambiental. O fluxo do Rio Macacos (Fortuna de Minas, Figura 3-4) está bastante prejudicado.
As áreas brancas nas suas margens são causadas pela extração de areia. Vê-se que já foram
formadas represas ao longo do seu percurso. Deve-se também levar em conta que esse terreno
é cárstico1 , onde a gestão dos recursos hídricos deve ser ainda mais cuidadosa.
1 Cárstico: região que se caracteriza pela dissolução química (corrosão) das rochas, que leva ao aparecimento de uma série de características físicas, tais como cavernas, dolinas, vales secos, rios subterrâneos e paredões rochosos expostos. O relevo cárstico ocorre predominantemente em terrenos constituídos de rocha calcária, mas também pode ocorrer em outros tipos de rochas carbonáticas, como o mármore e rochas dolomíticas (IGUAL, 2009).
13
FONTE: http://maps.google.com.br/maps Figura 3-4 - Foto satélite mostrando o local e o impacto ambiental onde se extrai areia ao
longo do Rio Macacos, no município de Fortuna de Minas.
A pista direita da BR-040 no sentido Sete Lagoas – Belo Horizonte encontra-se
danificada com muitas ondulações provocadas pelo excesso de peso dos caminhões de areia
que circulam em horários quando não há fiscalização (LAMEIRAS, 2008).
A Figura 3-5 mostra que as áreas onde se encontram as extrações de areia (quadrados
em vermelho) estão a uma distância pouco menor da Região Metropolitana de Belo Horizonte
do que a distância da barragem da Samarco (círculo amarelo). Como até 2/3 do preço da areia
de rio é devido ao transporte (LELES, SILVA, et al., 2005), espera-se que o transporte do
resíduo até a Região Metropolitana de Belo Horizonte não seja um impedimento para o seu
emprego em substituição à areia de rio. Deve-se considerar também que há ligação ferroviária
entre a barragem e Belo Horizonte. Além disso, como a Samarco domina tecnologia de
transporte por mineroduto, a construção de um duto para transportar a areia até Belo
Horizonte seria algo a se considerar (LAMEIRAS, 2008).
Rio Macacos
Cachoeira da Prata
Fortuna de Minas
14
FONTE: www.aondefica.com.br
Figura 3-5 - Comparação das distâncias entre Belo Horizonte, as áreas extratoras de areia de
rio (retângulos) e a barragem da Samarco (círculo).
3.4 Resíduo: De problema a oportunidade
Quando se pensa em problemas ambientais decorrentes de processo industriais é
comum pensar apenas em acidentes. No entanto, o processo desenfreado de extração de
matérias-primas e a deposição inadequada de resíduos também são responsáveis por impactos
fortíssimos ao meio ambiente (RIBEIRO e MORELLI, 2009).
Como já dito anteriormente, os resíduos gerados pela exploração do itabirito na Mina
Germano, da Sarmarco Mineração, apresenta característica arenosa e é gerado em grande
quantidade, o que os torna potenciais matérias-primas estratégicas para vários setores
industriais. Ao invés de serem considerados “resíduos” com altos custos para a sua gerência
na bacia de resíduos da Mina do Germano, eles podem ser vistos como um estoque valioso
para a geração de renda, produtos e empregos.
15
3.5 Argamassa
De acordo com Mehta e Monteiro (1994), a argamassa é constituída de cimento, água
e agregado miúdo (areia), sendo em sua essência um concreto sem agregado graúdo. O
cimento, que é um material finamente pulverizado, sozinho não é aglomerante, mas ao
ocorrerem reações químicas entre os minerais nele presentes e a água há a formação de
compostos com propriedades ligantes. Os silicatos de cálcio formados são os principais
compostos responsáveis pela característica do aglomerante.
A água utilizada para confeccionar a argamassa, chamada de água de amassamento,
deve ser isenta de ácidos, álcalis e óleos. A qualidade da água tem efeito direto nas
propriedades da argamassa.
As propriedades da argamassa dependem de diversos fatores. A resistência mecânica,
por exemplo, que é uma das principais, varia principalmente com (MEHTA e MONTEIRO,
1994):
• Traço, que é a proporção entre aglomerante (cimento) e aglomerado (areia),
normalmente varia entre 1:1 e 1:5, em volume;
• Granulometria, que é a medida do tamanho das partículas;
• Fator ou relação água/cimento (a/c), em massa, que representa a quantidade em massa
de água em relação à de cimento e
• Compactação da massa.
Para melhorar as características das argamassas e seus produtos são utilizados
usualmente aditivos. No entanto, eles não participam das formulações padrões dos produtos
cimentícios. Existem aditivos com diferentes ações, os quais, quando aplicados corretamente,
trazem vários benefícios. Por exemplo, eles podem modificar as características de pega e de
endurecimento, aumentar a plasticidade de massas frescas, aumentar a durabilidade em
condições de frio, entre outras.
A argamassa é um material bastante versátil, com a qual é possível construir diversos
tipos de artefatos, com diferentes propriedades, cores e formas para diferentes aplicações. O
grande diferencial deste material é a possibilidade de sua confecção em locais próximos ou no
próprio local de sua utilização. Esta característica pode proporcionar principalmente menor
custo de logística em comparação a outros materiais, que necessitam de locais específicos
para serem fabricados. Existem também as vantagens em produzir esses artefatos fora do
16
canteiro de obra, reduzindo a ocupação de espaço, material estocado e mão de obra ociosa
(PEREIRA, 2011).
Segundo a ABCP (2002), as principais aplicações da argamassa estão na construção
civil, na confecção de tubos, lajes, mourões, pisos, telhas, blocos, pavimentos intertravados e
diversos pré-moldados.
3.6 Composição da Argamassa
3.6.1 Agregado
Os agregados podem ser classificados segundo sua origem, dimensão e massa
específica.
Quanto à origem, eles podem ser naturais, artificiais, ou seja, originados do britamento
de rocha tais como pedrisco, pedra britada, etc, ou obtidos por processo industriais (FELTEN,
2009). Existe o conceito de agregados obtidos do reaproveitamento de resíduos urbanos ou
industriais, como escória de alto forno, concreto reciclado, PET etc. (KAEFER, 2000).
Quanto às dimensões de suas partículas, a ABNT (2005) definiu-os como miúdos,
cujos grãos passam pela peneira 4,8mm e ficam retidos na peneira de 0,15mm, e graúdos,
aqueles que passam pela peneira de 152mm e ficam retidos na peneira 4,8mm.
Quanto à massa específica (m.e.), os agregados podem ser classificados como leves,
médios e pesados, segundo os limites abaixo (FELTEN, 2009):
Leves: m.e. < 2.000kg.m-3
Médios: 2.000kg.m-3 ≤ m.e. ≤ 3.000kg.m-3
Pesados: m.e. > 3.000kg.m-3
Os agregados são os materiais granulares utilizados com o meio cimentante para
formar um concreto ou uma argamassa. Pela própria definição, eles devem ser inertes, ou seja,
não devem conter constituintes que reajam com o cimento, fresco ou endurecido, não devem
sofrer variações de volume com a umidade e não deve haver incompatibilidade térmica entre
seus grãos e a pasta endurecida (KAEFER, 2000).
O agregado miúdo deve ser bem granulado, com grânulos arredondados e resistentes.
Não deverá conter argila ou impurezas orgânicas com os limites superiores aos especificados
17
em normas (ABNT, 2001; ABNT, 1987). A composição química da rocha matriz, quando não
há substâncias reativas com o cimento ou meio ambiente, é menos importante que suas
características físicas (KAEFER, 2000).
Normalmente utiliza-se a areia natural como agregado miúdo, extraída principalmente
dos leitos dos rios e das praias. É uma matéria prima de baixo valor econômico, sendo até 2/3
do seu preço devido ao transporte da origem ao consumidor, o que torna esta atividade
predatória, pois não há preocupação quanto aos aspectos humanos e ambientais. Resumindo, a
baixa relação preço/volume da areia pode fazer com que as mineradoras procurem áreas o
mais próximo possível dos centros de consumo, potencializando situações de conflito entre a
mineração e o uso urbano do espaço.
3.6.2 Matriz (Pasta de Cimento)
A pasta de cimento (mistura de água e cimento) é chamada de matriz por ser contínua
e envolver as partículas de agregado miúdo na argamassa. Ela é constituída por diferentes
tipos de compostos hidratados de cimento, sendo os mais importantes os silicatos hidratados
de cálcio C-S-H, que podem aparecer como estrutura fibrosa, o hidróxido de cálcio Ca(OH)2,
que cristaliza em grande placas hexagonais superpostas, e a etringita, que cristaliza no início
da pega em forma de agulhas (Figura 3-6) (KAEFER, 2000).
FONTE: (OLIVEIRA, 2007)
(a) (b) Figura 3-6 - Produtos de hidratação do cimento: a) cristais de etringita; b) cristais de
monossulfato de cálcio.
Para compreender a matriz de uma argamassa, é importante primeiramente conhecer
sobre seu principal constituinte, ou seja, o cimento Portland. Por isso, uma breve explicação
18
sobre a composição química, os diferentes tipos de cimento, as reações de hidratação e sobre
as características dos compostos gerados, bem como suas influências sobre as propriedades
das argamassas, será primeiramente feita.
� Cimento Portland
O cimento Portland foi criado por um construtor inglês, Joseph Aspdin, que o
patenteou em 1824. Nessa época, era comum na Inglaterra construir com pedra de Portland,
uma ilha situada no sul desse país. Como o resultado da invenção de Aspdin assemelhou-se
em cor e dureza das pedras de Portland, ele registrou esse nome em sua patente. É por isso
que todo o tipo de cimento é chamado cimento Portland (ABCP, 2002).
O cimento Portland é o aglomerante hidráulico mais utilizado na produção de concreto
e argamassa. É um pó constituído de partículas de tamanho entre 1 e 50µm, obtido pela
moagem do clínquer e adição de sulfato de cálcio, na forma de gipsita (CaSO4.2H2O). O
clínquer é formado pelo aquecimento de uma mistura de calcário e argila, em forno giratório
que pode alcançar temperatura interna de até 1450ºC.
• Composição Química
Os principais constituintes do cimento Portland são os silicatos de cálcio: C3S (silicato
tricálcico – 3CaO . SiO2) e o C2S (silicato dicálcico - 2CaO . SiO2); o aluminato de cálcio:
C3A (aluminato tricálcico – 3CaO . Al2O3) e o C4AF (ferroaluminato de cálcio - 4CaO . Al2O3
. Fe2O3) e a gipsita adicionada para inibir a tendência à pega instantânea ocasionada pela
grande reatividade do C3A. As fórmulas genéricas dos constituintes do cimento são formadas
pelas letras C, S, A e F que representam, respectivamente, óxidos de cálcio, silicatos, óxidos
de alumínio e óxidos de ferro (MEHTA e MONTEIRO, 1994).
• Tipos de Cimento Portland
O clínquer é o principal componente do cimento e ele está presente em todos os tipos
de cimento Portland. O que define esses tipos é: a moagem, as diferentes adições, ou seja, as
outras matérias-primas que são misturadas ao clínquer durante a moagem, tais como o gesso,
as escórias de alto-forno, os materiais pozolânicos e os materiais carbonáticos, além do tempo
de moagem do clínquer. Segundo a ABCP, o mercado brasileiro dispõe de diferentes tipos
básicos de cimento, que atendem a diversos tipos de aplicações. São eles (ABCP, 2002):
19
CP I e CP I S - Cimento Portland Comum e Cimento Portland Comum com Adição,
respectivamente.
CP II E, CP II Z, CP II F - Cimento Portland Composto com Escória, Cimento Portland
Composto com Pozolana e Cimento Portland Composto com Fíler Calcário,
respectivamente.
CP III - Cimento Portland de Alto-forno.
CP IV - Cimento Portland Pozolânico.
CP V ARI - Cimento Portland de Alta Resistência Inicial.
CPRS - Cimento Portland Resistente a Sulfatos.
CPBC - Cimento Portland de Baixo Calor de Hidratação.
CPB - Cimento Portland Branco estrutural e não estrutural.
CPP - Cimento para Poços Petrolíferos.
O tipo de cimento mais empregado pode variar em cada região, pois depende da
matéria-prima local. Portanto, nas cidades mineiras, o mais utilizado é o CP II E, formado
pela adição de escória de alto-forno, considerando a grande disponibilidade dessa matéria-
prima em regiões produtoras de minério de ferro. Esse tipo de cimento combina bons
resultados de baixo calor de hidratação com o aumento de resistência do Cimento Portland
Comum e é recomendado para estruturas que exijam desprendimento de calor moderadamente
lento.
Na indústria de elementos arquitetônicos pré-moldados e pré-fabricados, como fábricas
de blocos para alvenaria, blocos para pavimentação, tubos, lajes, meio fio, mourões e postes, é
necessário que o produto tenha alta resistência inicial e rápido desmolde, visto que a produção
e saída desses elementos devem ser consideravelmente rápidas. Sendo assim, o CP V ARI é o
mais recomendado, por proporcionar essas características ao concreto e argamassas
confeccionados com ele. O desenvolvimento dessa propriedade é conseguido pela utilização
de uma dosagem diferente de calcário e argila na produção do clínquer e pela moagem mais
fina do cimento. Assim, ao reagir com a água, o CP V adquire elevadas resistências e
endurecimento com maior velocidade (ABCP, 2002).
• Reações de hidratação
O mecanismo de hidratação do cimento é constituído por um processo de dissolução-
precipitação nas primeiras fases seguido de um processo topoquímico (MEHTA e
20
MONTEIRO, 1994). O enrijecimento da pasta é caracterizado pela hidratação dos aluminatos
e a evolução da resistência (endurecimento) é realizada pelos silicatos.
A reação do C3A com a água é imediata. Por isso há a necessidade da adição de sulfato
de cálcio na forma de gipsita (geralmente representada por CšH2) para retardar a reação. Os
cimentos tipo ARI são obtidos utilizando-se dosagem diferenciada de calcário e argila na
produção de clínquer e, além disso, o tempo de moagem do clínquer é maior. Como produto
dessa reação tem-se a formação de cristais aciculares de trissulfato aluminato de cálcio
hidratado, chamada de etringita, que é responsável pelo fenômeno da pega. Com a evolução
do tempo e dependendo da proporção sulfato/aluminato no cimento, a etringita pode se
decompor em monossulfoaluminato de cálcio hidratado, que é uma configuração mais estável
e apresenta formato de placas hexagonais. As reações que representam essas transformações
O processo de hidratação do C4AF, pelo fato de gerar uma série de compostos, é de
difícil caracterização e tem pouca influência na pasta endurecida. Segundo Mehta e Monteiro
(1994), seus compostos resultantes são estruturalmente similares aos formados a partir do
C3A.
Embora os íons sulfato atuem como retardadores de hidratação dos aluminatos, os
mesmos exercem um efeito contrário sobre os silicatos, acelerando as suas reações de
hidratação (SILVA, 2005) .
A hidratação dos silicatos C3S e C2S ocorre algumas horas após o início de hidratação
do cimento e origina silicatos de cálcio hidratados que possuem composição química muito
variada sendo, por isso, representados genericamente por C-S-H e hidróxido de cálcio
Ca(OH)2. Com o decorrer da hidratação, começam a aparecer cristais prismáticos grandes de
Ca(OH)2 e, na sequência, cristais pequenos e fibrilares de silicatos hidratados de cálcio. Esses
compostos são responsáveis por preencher os espaços ocupados pela água e pelas partículas
de cimento em dissolução (MEHTA e MONTEIRO, 1994). As reações de hidratação dos
silicatos estão representadas pelas Equação 3-3 e Equação 3-4:
21
2��� � 6�� � � � � � � � 3������ Equação 3-3
2�� � 4�� � � � � � � � ������ Equação 3-4
O C3S é responsável pela resistência inicial (primeiros dias ou semanas) e o C2S pelo
desenvolvimento contínuo da resistência que se estende por meses ou anos, devido a uma
hidratação mais lenta.
O C-S-H não tem composição nem estrutura definidas (forma amorfa) e é o principal
responsável pela resistência da pasta endurecida. Quanto maior a quantidade de Ca(OH)2 na
pasta, menor é a resistência da pasta contra ataques de ácidos e de sulfatos. Verifica-se
também que um cimento com maior teor de C3S resulta em um concreto mais susceptível ao
ataque químico e com menor resistência mecânica (KAEFER, 2000).
Na pasta hidratada, o C-S-H constitui cerca de 50 a 60% em volume, sendo a fase mais
importante para as propriedades da pasta. O Ca(OH)2, conhecido como Portlandita, por ser o
primeiro composto formado durante a hidratação, é o principal responsável pela resistência
inicial e constitui entre 20 e 25% do volume da pasta. Os sulfoaluminatos constituem entre 15
e 20% do volume da pasta e exercem menor influência nas propriedades da pasta, exceto em
condições nas quais possam ocorrer ataques por sulfato, em que o monossulfato hidratado
deixa a pasta vulnerável (MEHTA e MONTEIRO, 1994).
A microestrutura de uma pasta de cimento é um termo referente à estrutura básica após
a hidratação do cimento junto com os agregados. Para compreensão, mecanismos de
deterioração e até mesmo melhorar algumas propriedades da pasta endurecida, é necessário
conhecer bem a sua microestrutura, que pode ser bem explorada pela alta resolução
proporcionada pelo MEV e pelas técnicas de análise instantâneas a ele acopladas
(RAMACHANDRAN e BEAUDOIN, 2001).
22
� Vazios
A resistência da pasta é fortemente relacionada com sua porosidade, uma vez que
somente os elementos sólidos resistem aos esforços. A porosidade da pasta de cimento
hidratada se distribui da seguinte forma (MEHTA e MONTEIRO, 1994):
• Poros de gel ou entre camadas de C-S-H: vazios muito pequenos (entre 5 e
25Ǻ), que não influenciam na resistência da pasta.
• Vazios capilares: representam o espaço não preenchido pelos componentes
sólidos da hidratação do cimento. O volume total e, principalmente, a
distribuição do tamanho dos poros afetam a resistência da pasta. Poros de
pequenos diâmetro (< 50nm) são descritos como pouco prejudiciais ao
comportamento mecânico.
• Poros de ar incorporado: possuem formato esférico e dimensões superiores aos
vazios capilares. Podem ocorrer devido a pouca vibração da argamassa ou
terem sido intensionalmente incorporados. Devido à grande dimensão,
reduzem bastante a resistência do material e aumentam a permeabilidade.
3.7 Aditivos Superplastificantes
Aditivo é um produto que é adicionado em pequena quantidade ao concreto ou à
argamassa, antes ou após a mistura, no sentido de melhor adequar o material a determinadas
condições, tais como acelerar ou diminuir o tempo de pega, melhorar a trabalhabilidade,
reduzindo a quantidade de água, aumentar a resistência quanto a variações térmicas, entre
outras (ABNT, 1992).
Segundo a norma “Aditivos para concreto de cimento Portland” (ABNT, 1992),
existem 9 (nove) tipos diferentes de aditivos. Dentre eles, destacam-se os superplastificantes,
que possuem como principal propriedade reduzir a quantidade de água na produção da
argamassa.
Os aditivos superplastificantes são polímeros orgânicos hidrossolúveis - com
moléculas longas e de massa molecular elevada - obtidos sinteticamente por meio de um
23
processo de polimerização complexo. A primeira geração de superplastificantes foi baseada
em condensados sulfonados de naftaleno-formaldeído e/ou condensados sulfonados de
melanina-formaldeído, dispersantes poliméricos baseados em uma única unidade repetitiva,
não permitindo grandes variações de sua estrutura molecular. Mais recentemente, uma nova
geração de aditivos superplastificantes – à base de policarboxilatos com moléculas de
poliéteres pendentes - tem se tornado mais comum. Esses aditivos são baseados em duas ou
mais unidades estruturais, que proporcionam maior diversidade das possíveis estruturas
moleculares. Como exemplo, a quantidade relativa de unidades aniônicas por unidades de
poliéteres pode ser variada, o peso molecular da molécula de poliéter pode ser variado e o
peso molecular da cadeia principal de policarboxilato também pode ser ajustado para a
criação de polímeros com diferentes características de desempenho (YAMADA et al., 2000;
VICKERS et al., 2005).
Muitos aditivos superplastificantes foram desenvolvidos nas últimas décadas. Segundo
Zingg et al. (2008) eles melhoram a trabalhabilidade de argamassas e concretos para a
demanda de aplicações industriais. A adição de superplastificantes visa dois objetivos: eles
são capazes de controlar as propriedades fluidas e permitem a redução da razão água/cimento
sem perder a trabalhabilidade e durabilidade (ZINGG et al., 2008).
O tipo de plastificante e o método de mistura variam a fluidez da pasta (YOSHIOKA
et al., 2002). Como já citado anteriormente, o cimento Portland é formado por quatro tipos de
minerais e a adsorção do superplastificante em cada um deles não é uniforme. Alguns
componentes minerais podem adsorver muito mais ao superplastificante do que os outros.
Yoshioka e outros (2002) testaram quatro tipos diferentes de superplastificantes e concluíram
que todos eles foram mais adsorvidos nos aluminatos do que nos silicatos.
Nos últimos anos, o uso e o desenvolvimento dos superplastificantes a base de
policarboxilatos vêm aumentando cada vez mais e tornando-se os mais populares (ALONSO
et al., 2007; HANEHARA et al., 1999; YAMADA et al., 2000). Estes aditivos a base de
policarboxilatos, também conhecidos como aditivos redutores de água, caracterizam-se por
apresentar estrutura na forma de “pente”, com uma cadeia linear principal de hidrocarbonetos
e cadeias laterais constituídas por grupos carboxilatos e éteres. Por meio dos grupos
carboxilatos, as cadeias dos superplastificantes são adsorvidas sobre as partículas de cimento
dispersando-as, não só devido à repulsão eletrostática, como também devido ao impedimento
estérico causado pelas largas cadeias dos grupos éteres (ALONSO et al., 2007).
24
Outra característica dos superplastificantes é o potencial que suas estruturas químicas
apresentam para ser modificadas, pois são compostas por diferentes moléculas e é um
polímero (YAMADA et al., 2000). Recentemente, muitos aditivos a base de carboxilatos
contendo cadeias principais mais curtas e cadeias laterais de poliésteres mais longas estão
sendo desenvolvidos. Na opinião de alguns autores (SUGIYAMA et al., 2003; MAEDER et
al., 2004 apud ALONSO et al., 2007) quanto mais curta for a cadeia principal e mais longa e
mais numerosa são as cadeias laterais dos éteres, maior e mais duradoura será a fluidez
induzida pelo aditivo. Outros pesquisadores também concluíram que as diferentes estruturas,
suas massas moleculares, assim como a distribuição dessas massas moleculares afetam
diretamente na fluidez da pasta (FERRARI et al., 2000; MAGAROTTO et al., 2003;
BJORNSTROM et al., 2003 apud ALONSO et al., 2007). Quanto maior for a massa
molecular dos polímeros, maior é a adsorção e mais efetiva é a fluidez, mas quanto maior for
a sua distribuição, menor será a eficácia dos aditivos.
Alguns trabalhos estão desenvolvendo ou utilizando materiais alternativos como
superplastificantes. Saasen et al. (1991) utilizaram glicerina para investigar o comportamento
reológico e o tempo de pega de pastas de cimento e verificaram que a glicerina acelera o
processo de hidratação e aumenta a viscosidade das pastas. Outros pesquisadores sintetizaram
o sulfonato de amido e estudaram o efeito da fluidez em pastas de cimento. Concluíram que,
como agente redutor de água, o sulfonato de amido é mais efetivo do que um aditivo
comercial a base de naftaleno (ZHANG et al., 2007). Ainda, outro trabalho na área de
plastificantes alternativos foi realizado, obtendo-se um aditivo redutor de água a base de
copos de poliestireno descartáveis usados (ASSUNÇÃO et al., 2005; CARROL et al., 1966).
3.8 Pavimento intertravado
O pavimento intertravado é composto por peças de concreto, assentadas sobre camada
de areia e travadas entre si por contenção lateral (ABCP, 2010). Podem apresentar uma
variedade de formas, cores, texturas e padrões de assentamento, permitindo explorar
harmonicamente essas características do ponto de vista arquitetônico e paisagístico (Figura
3-7) (BLOCOBRASIL, 2004; ABCP, 2010).
25
FONTE (ABCP, 2010; BLOCOBRASIL, 2004)
O uso da pavimentação intertravada no Mundo vem aumentando significativamente
nos últimos anos. São utilizados em uma variedade de aplicações comerciais, municipais e
industriais. As principais razões para escolha desse tipo de pavimento são: pouca manutenção,
facilidade de colocação e remoção, boa aparência estética, disponibilidade imediata, além de
se apresentarem em várias formas e cores (LEE et al., 2003). Além disso, os pavimentos
intertravados de concreto refletem melhor a luz, comparados a outros tipos de superfície,
proporcionando melhor conforto térmico devido à rápida dispersão no ar do calor produzido
pela incidência dos raios solares, ao contrário de pisos mais escuros, que acumulam calor e o
liberam lentamente. A diferença de temperatura entre ambos pode chegar a 30% quando
submetidos à mesma insolação (BLOCOBRASIL, 2004; ABCP, 2010).
Sob chuva, os pavimentos intertravados de concreto não são escorregadios e possuem
excelente permeabilidade (ABCP, 2010), sendo uma das melhores opções para minimizar a
impermeabilização das cidades, por suas características de permitir a infiltração da água para
o solo. Por sua versatilidade de uso, podem ser utilizados em calçadas, parques, praças,
quadras poliesportivas, estacionamentos e ruas de tráfego leve, conferindo grande
durabilidade devido à elevada resistência do concreto (HALLACK, 2011; ABCP, 2010).
O intertravamento é a capacidade que os blocos adquirem de resistir a movimentos de
deslocamento individual, seja ele vertical, horizontal ou de rotação em relação a seus
vizinhos. O intertravamento é fundamental para o desempenho e a durabilidade do pavimento.
Para que se consiga o intertravamento duas condições são necessárias e indispensáveis:
contenção lateral e junta preenchida com areia (ABCP, 2010).
Figura 3-7 - Variedade de formas, cores, texturas e padrões de assentamento dos blocos
intertravados.
26
• Contenção lateral: Impede o deslocamento lateral dos blocos da camada de
rolamento, promovendo o intertravamento.
• Areia de selagem: Proporciona a transferência de esforços entre os blocos de
concreto, permitindo que eles trabalhem juntos, uns com os outros, e suportem as cargas
solicitantes.
A construção com pavimentos intertravados é simples: basta assentar os blocos sobre
uma camada de areia grossa (recomenda-se que a camada de areia tenha de 3cm a 4cm de
espessura após a compactação das peças), compactar a superfície e, em seguida, espalhar areia
fina para o preenchimento das juntas. Depois, devem-se compactar as peças novamente até
que as juntas estejam totalmente preenchidas com areia. Um tipo de contenção lateral,
comumente para meios-fios, é sempre requerida (HALLACK, 2011).
No pavimento, as peças pré-moldadas de concreto comportam-se como uma camada
flexível e única devido à propriedade de intertravamento. É o intertravamento que
proporciona resistência a estes pavimentos e os diferem dos demais. Depois de intertravadas,
as peças de um pavimento adquirem a capacidade de resistir a movimentos de deslocamento
individual, seja ele vertical, horizontal ou de rotação em relação a suas vizinhas (Figura 3-8).
(HALLACK, 2011; ABCP, 2010).
FONTE: (ABCP, 2010)
Figura 3-8 - Movimentos de deslocamento individual dos blocos, mostrando como o
intertravamento funciona.
A propriedade de distribuição de esforços das peças intertravadas depende
essencialmente de seu formato, arranjo e espessura. A resistência à compressão das peças tem,
neste aspecto, pouca influência. Não há um consenso entre os pesquisadores quanto à
influência do formato das peças. No entanto, há concordância quanto ao comportamento do
pavimento em função da espessura e do arranjo de assentamento das peças. Recomenda-se
que as peças devam ter espessuras mínimas de 6cm, para pavimentos com tráfego leve, 8 cm
para aqueles submetidos ao tráfego de veículos comerciais e 10cm para casos especiais
(ABNT, 1987a).
Giro
27
No Brasil, a norma NBR 9781 “Peças de Concreto para Pavimentação –
Especificação” (ABNT, 1987b) estipula que a resistência à compressão das peças, calculada
de acordo com a norma NBR 9780 “Peças de Concreto para Pavimentação – Determinação da
Resistência à Compressão – Método de ensaio” (ABNT, 1987a), deve ser 35MPa para as
solicitações de veículos comerciais de linha ou 50MPa quando houver tráfego de veículos
especiais ou solicitações capazes de produzir acentuados efeitos de abrasão.
3.9 Planejamento Fatorial de Experimentos
No planejamento de qualquer experimento, o primeiro que se deve fazer é decidir
quais são os fatores e as respostas de interesse que se quer analisar e chegar a alguma
conclusão, pois um experimento não planejado pode trazer resultados inúteis, por não
apresentarem uma forma razoável de serem interpretados.
Em planejamento fatorial usam-se os termos fatores, níveis e respostas. Os fatores são
as variáveis controláveis que, a princípio, influenciariam um determinado processo. Eles
podem ser qualitativos ou quantitativos. Os níveis são os valores ou as classes (caso o fator
seja qualitativo) em que cada fator deve ser estudado no experimento. Já as respostas são as
variáveis de saída do sistema que serão ou não afetadas por modificações provocadas nos
fatores, ou seja, são as propriedades de interesse deste processo (SOARES NETO et al.,
2010).
Encontram-se pesquisas que são realizadas fixando-se um dos fatores num certo nível
e variando-se o outro até descobrir qual o nível que produz a melhor resposta. Depois,
mantém-se este fator no nível ótimo encontrado, variando-se o nível de outro fator até
descobrir a melhor resposta. E assim sucessivamente.
Embora este modo de experimentar possa ser do senso comum, ele não é a maneira
mais correta, uma vez que a melhor resposta só é encontrada em circunstâncias muito
especiais. O melhor a se fazer é variar todos os fatores ao mesmo tempo, já que as variáveis
podem ter influências mútuas e o valor ideal para uma delas pode depender do valor da outra.
Esse comportamento é chamado de interação entre os fatores.
Para variar tudo ao mesmo tempo, dentro de uma lógica, são aplicados planejamentos
experimentais fundamentados em princípios estatísticos, dos quais se podem tirar o máximo
28
de informação, fazendo o menor número de experimentos. As vantagens desse tipo de
planejamento são, principalmente, a redução de custos e de tempo, obtendo-se respostas
confiáveis.
O planejamento fatorial a dois níveis é muito útil em investigações preliminares, uma
vez que se quer saber se determinados fatores têm ou não influência sobre a resposta. São
planejamentos muito simples de se executar, pois todos os fatores são estudados em apenas
dois níveis. Costuma-se identificar os níveis superior e inferior com os sinais (+) e (-),
respectivamente (SOARES NETO et al., 2010).
3.9.1 Planejamento dos Experimentos
Um dos planejamentos fatoriais mais comuns é o 2k, no qual a base 2 significa o
número de níveis estudados em cada fator e o expoente k significa o número de fatores. Ao
executar um planejamento fatorial especificam-se, primeiramente, os níveis de cada fator
estudado. Em seguida, organizam-se as informações para que se tenham todas as combinações
possíveis, de modo que um planejamento 23, por exemplo, se reflete em pelo menos 8 (oito)
experimentos.
3.9.2 Cálculo e Análise dos Efeitos
Para mensurar o efeito principal de um determinado fator, calcula-se a diferença entre
a resposta média no nível superior e a resposta média no nível inferior desse fator. Já o efeito
de interação de segunda ordem é calculado como a metade da diferença entre as respostas
médias dos dois fatores (SOARES NETO et al., 2010).
A análise dos efeitos pode ser realizada por meio de gráficos normais. Para traçar estes
gráficos, plotam-se os valores dos efeitos no eixo das abscissas e no eixo das ordenadas os
valores correspondentes à distribuição normal padronizada (valores de z, variável aleatória
com distribuição N (0,1), média zero e variância um, encontrados em tabelas de livros de
estatísticas). Os pontos que vierem de uma população normal de média igual a zero se
ajustarão à reta central de probabilidade acumulada igual a 50% (z = 0) e sobre o ponto zero
do eixo dos efeitos, ou seja, eles representam “efeitos” sem nenhum significado físico.
29
O mesmo não se pode dizer dos pontos que estiverem afastados da reta. Estes,
dificilmente, pertencem à mesma população que produziu os pontos centrais. Portanto, devem
ser interpretados como efeitos realmente significativos e tanto mais significativos quanto mais
afastados estiverem da região central, para direita ou para a esquerda (SOARES NETO et al.,
2010).
3.9.3 ANOVA (Analysis of Variance)
A análise da variância (ANOVA – AN de ANalysis, O de Of e VA de VAriance),
assim como o estudo dos efeitos, é realizada por meio de uma distribuição normal estudada
por Fisher, mais conhecida como distribuição F, e é também utilizada para verificar quais
efeitos são significativos. É uma extensão do teste t de Student que permite não só a
comparação de duas, mas de qualquer número de médias (VIEIRA, 2006).
A técnica consiste em estudar a variabilidade possivelmente ocasionada pelo fator em
estudo, concluindo-se se ela é apenas aleatória (o fator não influi) ou significativa (o fator
influi) (PINTO e VICTOR, 2009). Resumindo, o objetivo da análise da variância é usar dados
para testar as seguintes hipóteses:
H0: O fator não influi nos resultados.
H1: O fator influi nos resultados.
Para isso é necessário escolher um determinado intervalo de confiança e levar em
consideração os graus de liberdade do experimento, de modo que o F obtido por cálculos é
comparado com um F tabelado. Se o F calculado for menor que o tabelado, aceita-se a
hipótese da nulidade (H0). Caso contrário, a hipótese da nulidade deve ser rejeitada.
A ANOVA de um experimento inteiramente ao acaso exige que sejam feitas algumas
suposições sobre os erros, sem as quais os resultados da análise não podem ser válidos. Para
isso, as seguintes pressuposições devem ser atendidas (VIEIRA, 2006):
1. os erros devem ser variáveis aleatórias independentes;
2. as variâncias devem ser iguais;
3. a distribuição dos erros deve ser normal ou aproximadamente normal.
30
Um experimento inteiramente ao acaso pode ser escrito na forma do seguinte modelo
(Equação 3-5):
Yij = µ i + εij
Equação 3-5
O modelo indica que a resposta Yij ao modelo de uma unidade experimental é dada
pela média verdadeira de todas as respostas possíveis (µ i) acrescida de uma quantidade (εij),
que é chamada de erro (error).
Como os erros são definidos em função das médias verdadeiras, não é possível
conhecê-lo, mas sim estimá-lo fazendo a diferença entre cada dado e a média a que ele
pertence:
εij = Yij - µ i
Equação 3-6
As estimativas dos erros recebem o nome de resíduos e é a análise desses resíduos que
ajuda a verificar se a ANOVA é aceitável ou não. Para fazer uma análise de variâncias, é
preciso pressupor que os erros são variáveis aleatórias independentes, ou seja, os dados
experimentais obtidos pertencem a unidades sem correlação ou não agrupadas. A não
dependência pode ser verificada por meio do desenho de um gráfico dos resíduos
padronizados versus a ordem em que as observações foram coletadas. A independência é
satisfeita quando os resíduos ficam dispersos em torno de zero, sem um padrão definido. É
uma análise extremamente útil, porém é gráfica. Portanto, uma conclusão mais razoável pode
ser feita ao verificando quando as variâncias são constantes ou iguais.
Para testar a igualdade das variâncias são propostos diversos testes, sendo o Teste de
Levene bastante utilizado e simples, além de dar resultados muito precisos. Primeiro, é
preciso calcular os resíduos da ANOVA. Depois é preciso fazer uma ANOVA (inteiramente
ao acaso) dos valores absolutos desses resíduos. Os tratamentos são os mesmos da análise de
dados.
A lógica do Teste de Levene é simples: quantos maiores são as variâncias, maiores
serão os resíduos (VIEIRA, 2006). Então, se as variâncias são homogêneas, o resultado do
31
teste F para comparação de médias dos valores absolutos dos resíduos será não significativo,
comprovando que estas são de uma mesma população.
Os resíduos também devem apresentar distribuição normal. Para verificar este
pressuposto, um gráfico de probabilidade normal deve ser feito. Os resíduos padronizados são
colocados nas abscissas e os valores esperados da distribuição normal, na ordenada. Os
pontos deverão ficar em torno da reta. Portanto, é importante fazer a análise dos resíduos, pois
ela ajuda a dizer se as pressuposições feitas são razoáveis.
3.9.4 Teste t de Student
Os testes estatísticos testam hipóteses a respeito de uma população. Podem ser feitas
duas hipóteses. Na primeira supõe-se que as médias de dois grupos, independentes ou não,
são iguais - hipótese esta denominada “hipótese da nulidade” e é representada por H0. A
segunda hipótese é aquela que supõe que as médias são diferentes, denominada hipótese
alternativa, e representada por H1. Ambas, portanto, são escritas da seguinte forma (PINTO e
VICTOR, 2009; VIEIRA, 2006):
H0: As médias são iguais.
H1: As médias são diferentes.
Um teste estatístico proposto no início do século passado para comparação de duas
médias, chamado teste t de Student, é muito conhecido e é usado até hoje em todas as ciências
experimentais, podendo ser realizado em duas condições (VIEIRA, 2006):
1. Quando os grupos são independentes – experimento inteiramente ao acaso; e
2. Quando os dados são pareados – experimento em blocos, em que cada unidade é tomada
como um bloco.
32
� Teste t na comparação de dois grupos independentes
São ensaios nos quais se comparam dois grupos independentes, ou seja, os dados são
obtidos de populações diferentes. Portanto, o teste t pode ser indicado para tratar a igualdade
de duas médias de grupos independentes. Para fazer o teste, os seguintes passos devem ser
seguidos (VIEIRA, 2006):
(a) calcula-se a média de cada grupo;
(b) calcula-se a variância de cada grupo;
(c) calcula-se a variância ponderada, dada pela fórmula apresentada na Equação 3-7:
� � � � � 1�� � � � � 1�� � � � � 2
Equação 3-7
(d) calcula-se o valor t, que está associado a n1 + n2 – 2 graus de liberdade, pela
fórmula apresentada na Equação 3-8:
" � #$ � #$%& 1� � 1�' �
Equação 3-8
(e) compara-se o valor calculado de t (em valor absoluto) com o valor crítico de t, no
nível estabelecido de significância e com os mesmos graus de liberdade. Se o valor
de t for igual ou maior do que o da tabela de valores t (encontrada em livros de
estatística), rejeita-se a hipótese de nulidade, ou seja, aquela em que as médias em
comparação são iguais.
� Teste t na comparação de dois grupos pareados
Trata-se de uma comparação de dois grupos dependentes, ou seja, de dois grupos de
dados (antes e depois) dependentes ou pareados, pois cada par de dados é tomado de uma
mesma população. Tipo de ensaios como estes também são conhecidos como experimentos
em blocos (VIEIRA, 2006).
Portanto, para se fazer um estudo de dados pareados, os seguintes passos devem ser
seguidos:
(a) calculam-se as diferenças entre todos os pares de dados pareados (Equação 3-9):
33
( � # � # Equação 3-9
(b) calcula-se a média dessas diferenças (Equação 3-10):
( ) � ∑ (�
Equação 3-10
(c) calcula-se a variância dessas diferenças (Equação 3-11):
� � ∑ ( � �∑ (��� � 1
Equação 3-11
(d) calcula-se o valor de t, que está associado a n – 1 graus de liberdade, pela fórmula
apresentada na Equação 3-12:
" � (+%��
Equação 3-12
(e) idem ao passo (e) descrito no item anterior.
� Teste de Tukey
É provavelmente um dos testes mais conhecidos para comparação de médias duas a
duas. Para realizar este teste, costuma-se calcular primeiro a diferença mínima que deve haver
entre duas médias para que elas possam ser consideradas diferentes em um determinado nível
de significância. O autor do teste chamou este valor de “diferença honestamente significante”
e a indicou por HSD (do inglês “honestly significant difference”), que pode ser calculado de
acordo com a Equação 3-13 (VIEIRA, 2006).
��, � -./012
Equação 3-13
34
Em que o valor q é encontrado na Tabela q no nível estabelecido de significância,
QMR é o quadrado médio do resíduo da análise de variância e r é o número de repetição de
cada um dos tratamentos.
De acordo com o teste, duas médias são estatisticamente iguais toda vez que o valor
absoluto da diferença entre elas for igual ou menor do que HSD.
3.9.5 Testes não paramétricos
Os testes citados anteriormente - ANOVA, t-Student e Tukey - partem do pressuposto
que as variáveis fazem parte de uma mesma população e que, portanto, os seus valores devem
apresentar uma distribuição normal ou aproximadamente normal. Quando isto não ocorre, os
dados não podem ser tratados com testes dessa natureza e sim por aqueles conhecidos como
testes de distribuição livre ou testes não paramétricos, pois estes não apresentam nenhuma
exigência quanto ao conhecimento da distribuição da variável na população e seus parâmetros
(CALLEGARI-JACQUES, 2003).
Conforme Callegari-Jacques (2003), nos testes paramétricos os valores da variável
estudada devem ter distribuição normal ou aproximação normal. Já os testes não
paramétricos, também chamados por testes de distribuição livre, não têm exigências quanto ao
conhecimento da distribuição da variável na população. Alguns testes desta natureza e muito
utilizados são: Teste de Kruskal-Wallis e Teste de Mann-Whitney.
� Teste de Kruskal-Wallis
O teste de Kruskal-Wallis ou análise da variância pelo número de ordens (ranks) pode
ser utilizado em casos em que os pressupostos da ANOVA paramétrica não foram totalmente
atingidos, ou seja, quando as k amostras não pertencem a uma população normal ou quando as
variâncias são heterogêneas.
Quando k = 2, o teste de Kruskal-Wallis é idêntico ao teste de Mann-Whitney,
explicado no próximo item.
35
Sejam k as amostras em análise, cada uma com Ni repetições, e 3 � ∑ 3456 o número
total de observações. Pretende-se verificar se as k amostras (ou tratamentos, como são
designados) têm distribuições idênticas (FERREIRA, 2012).
O teste de hipóteses é:
H0: As distribuições das k amostras são iguais.
H1: As distribuições das k amostras diferem na localização.
A estatística do teste é (Equação 3-14):
� � 123. �3 � 1� 8 15354
56 � 3. �3 � 1�
Equação 3-14
Em que Ri é a soma dos números de ordem das Ni observações do grupo ou tratamento
i (nota-se que a soma de todos os números de ordem de todos os tratamentos deve ser igual a
N.(N+1)/2) (FERREIRA, 2012).
Se existem números de ordem empatados, a estatística deve ser corrigida para esta
situação. Para tal calcula-se o fator de correção:
� � 1 � ∑ �95� � 9�:56 3� � 3
Equação 3-15
E a estatística do teste corrigida é:
�; � ��
Equação 3-16
Em que ui é o número de empates em cada grupo e m é o número de grupos de
números de ordem empatados.
Para atribuir o número de ordem às observações, juntam-se as observações de todos os
tratamentos, ordenando-as em seguida. Quando existir observações iguais (empates ou “ties"),
36
o número de ordem de cada observação empatada equivale ao valor médio deste número de
ordem (FERREIRA, 2012).
A estatística H avalia em que medida as k amostras ou tratamentos diferem
relativamente aos respectivos números de ordem. O teste de hipóteses pode ser avaliado por
meio da comparação entre o valor H com o valor teórico de Qui tabelado (χ2). Se H calculado
for menor que χ2, não se pode rejeitar a hipótese nula. Para testes não paramétricos o nível de
confiança não pode ser menor que 95%.
� Teste de Mann-Whitney
O teste de Mann-Whitney é um teste não paramétrico alternativo ao teste t-Student
para comparar a média de duas amostras independentes. O único pressuposto para este teste é
que as duas amostras sejam independentes e aleatórias e que as variáveis em análise sejam
numéricas ou ordinais (FERREIRA, 2012).
Sejam N1 e N2 os tamanhos de duas amostras, o teste de hipótese subjacente é:
H0: As duas amostras têm distribuições idênticas.
H1: As duas amostras têm distribuições diferentes.
O teste de hipóteses também pode ser expresso por meio da comparação entre
medianas.
A estatística do teste (teste U) é calculada como se segue (FERREIRA, 2012):
(a) As observações das duas amostras são combinadas numa única variável de
tamanho N1 + N2 .
(b) O conjunto de observações assim constituído é ordenado por ordem crescente,
atribuindo o número de ordem 1 à observação menor e N1 + N2 a observação
maior. Caso haja empates, a cada uma das observações empatadas é atribuída o
número de ordem médio.
(c) Por fim, calculam-se as somas dos números de ordem das observações de cada
amostra.
W1 = soma dos números de ordem das observações da amostra 1;
W2 = soma dos números de ordem das observações da amostra 2;
(d) Calculam-se as quantidades:
37
<� � =�. =� � =��=� � ��� � >�
Equação 3-17
? � 3 . 3 � 3 �3 � 1�2 � @
Equação 3-18
A estatística do teste é:
U = min (U1, U2 )
Equação 3-19
A hipótese nula estabelece que as duas amostras tenham a mesma distribuição e, se tal
acontecer, as medianas (e também as médias) das duas amostras serão iguais (FERREIRA,
2012).
38
4 MATERIAIS E MÉTODOS
4.1 Estrutura Metodológica
Os ensaios e as análises do resíduo, dos superplastificantes e dos pigmentos foram
realizados segundo as estruturas metodológicas apresentadas nas Figura 4-1, Figura 4-2 e
Figura 4-3.
Figura 4-1 - Estrutura metodológica dos ensaios e análises de caracterização do resíduo, bem
como o planejamento fatorial dos ensaios realizados nas argamassas.
RESÍDUO
CLASSIFICAÇÃO (ABNT, 2004a)
Análise:- Granulometria (ABNT, 2005)- Absorção de Água (ABNT, 2001)- Massa Específica (ABNT, 2002)- Massa Unitária (ABNT, 2006)- Coeficiente de Inchamento (ABNT, 2009)- Difração de Raios X- Ativação Neutrônica- MEV e EDS
CARACTERIZAÇÃO
PLANEJAMENTO FATORIAL - 23
FATORES E NÍVEIS- Traço 1:2 e 1:2,5- a/c 0,75 e 0,80- Tipo de cimento CPII e CPV
RESPOSTAS
- Preparação dasargamassa- Moldagem doscorpos-de-prova- Tempo de cura
Ensaios- Densidade- Viscosidade (Tello, 1996)- Tempo de pega- Índice de vazios (ABNT, 2005)- Resistência à compressão (ABNT, 1991)
Figura 4-2 - Estrutura metodológica das análises de caracterização dos superplastificantes,
bem como o planejamento fatorial dos ensaios realizados nas argamassas com SP.
Figura 4-3 - Estrutura metodológica do planejamento fatorial dos ensaios realizados nas
argamassas confeccionadas com pigmento.
Após finalização dos ensaios citados nas três estruturas metodológicas (Figura 4-1,
Figura 4-2 e Figura 4-3), foi realizado um ensaio de reprodutibilidade da planta piloto de
FATORES E NÍVEIS- Tipo SP 5700 e 20HE- Conc. 0% , 0,3%, 0,6% e 0,9%
SUPERPLASTIFICANTES - SP
CARACTERIZAÇÃOPLANEJAMENTO
FATORIAL 2x4
RESPOSTAS
- Preparação das argamassa– EXP. 08- Moldagem dos corpos-de-prova- Cura
Ensaios- Densidade- Viscosidade- Tempo de pega- Resistência à compressão
Seleção das Ferramentas de Análise
Análises:- Caracterização físico química(cor, %sólidos, pH, massaespecífica e viscosidade)- Composição Química elementar(Espectroscopia de AA eFluorescência de Raios X)- Caracterização estrutural(Espectroscopia FTIR e RMN )
PIGMENTOS
PLANEJAMENTO FATORIAL 2 x 4
RESPOSTAS
- Preparação das argamassa – EXP. 08 - Moldagem dos corpos-de-prova- Cura
Ensaios- Densidade- Viscosidade- Tempo de pega-Resistência à compressão- Índice de vazios
Seleção das Ferramentas de Análise
FATORES E NÍVEIS- Tipo: resíduo natural e vermelho- Conc. 4%, 8%, 12% e 16%
CARACTERIZAÇÃO
Análise:- Absorção de Água (ABNT,2001)
40
blocos intertravados confeccionados em laboratório, de acordo com a estrutura metodológica
apresentada na Figura 4-4.
Figura 4-4 - Estrutura metodológica do planejamento fatorial para o ensaio de
reprodutibilidade laboratório x planta piloto.
4.2 Materiais
Os principais materiais utilizados nesta pesquisa foram:
a. Cimento Portland CP II-E 32, marca Holcim com área superficial = 4043m2/kg
(FRANÇA, 2010a) e massa unitária = 1,027g/cm3 (MERCOSUL, 2002).
b. Cimento Portland CP V ARI, marca Holcim com área superficial = 4552m2/kg
(FRANÇA, 2010b) e massa unitária = 0,963g/cm3 (MERCOSUL, 2002).
c. Resíduo arenoso fornecido pela Samarco Mineração, massa unitária = 1,56g/cm3.
d. Pigmento natural (resíduo lama obtido na etapa de deslamagem fornecido pela
Samarco Mineração).
e. Pigmento vermelho (obtido do tratamento térmico do resíduo natural).
f. Superplastificante Sika ViscoCrete® 20HE.
g. Superplastificante Sika ViscoCrete® 5700.
REPRODUTIBILIDADEBLOCOS INTERTRAVADOS
ESCALA PILOTO
RESPOSTAS
Ensaios- Densidade- Viscosidade- Resistência à compressão
Seleção das Ferramentas de Análise
PLANEJAMENTO FATORIAL 22
- Preparação das argamassa –EXP. 08- Moldagem dos BLOCOSINTERTRAVADOS- Tempo de Cura
FATORES E NÍVEIS- Tipo Lab e PP- Ordem 7 e 8
LABORATÓRIO
41
h. Óleo hidráulico
i. Vaselina
4.3 Equipamentos/Instrumentos
Na preparação das argamassas, dos corpos de prova e dos ensaios foram utilizados os
seguintes equipamentos e instrumentos:
a. Paquímetro, modelo Universal, marca Mitutoyo.
b. Medidor de tempo de pega automático, marca Resistence Machine Unificate, modelo
M-23 com agulha de Vicat.
c. Viscosímetro analógico, marca Bookfield, modelo RVT e conjunto de rotores tipo
“T”.
d. Balança digital, marca Gehaka, modelo BG 8000.
e. Balança digital, marca Marte, modelo AS5500.
f. Balança digital, marca Marte, modelo AC10K.
g. Phmetro digital, marca Micronal, modelo B 374.
h. Cronômetro digital, marca Technos, modelo 219.
i. Batedeira, marca G.Paniz, modelo BP20C.
j. Moldes de aço padronizados com 5cm de diâmetro por 10cm de altura.
k. Moldes de PVC de volume e massa conhecidos, confeccionados no Laboratório de
Cimentação do CDTN - LABCIM.
l. Moldes de polipropileno formato intertravado da PEC MAQ PEC FORMAS®.
m. Termohigrômetro digital, marca Microzelle, modelo MN2400.
n. Prensa EMIC, modelo PCI 150/200, série 31.
o. Prensa EMIC, modelo PCM 100/20, série 1591.
p. Betoneira Menegotti, modelo PREMIUM, capacidade de tambor de 150L.
q. Mesa Vibratória marca CSM, com capacidade de carga de 500kg e rotação do eixo
vibrador de 5400rpm.
r. Tambor de 200L
s. Materiais e vidraria de laboratório (béqueres, provetas, pipetas, bastão de vidro,
espátulas, leiteiras, pincel, etc.).
42
4.4 Métodos - Referencial Teórico
RESÍDUO ARENOSO – Classificação
4.4.1 Classificação de Resíduos
Segundo a norma ABNT NBR 10004, resíduos podem ser classificados como
perigosos (classe I) ou não perigosos (classe II). Um resíduo perigoso é aquele que, em
função de suas características físicas, químicas ou infecto-contagiosas, pode apresentar risco à
saúde pública e ao meio ambiente. Dentre estas, a norma ABNT (2004a) cita:
Inflamabilidade: é característica de resíduos líquidos com ponto de fulgor inferior a 60ºC; não
líquido que, sob condições de temperatura e pressão de 25°C e 0,1MPa, produzem fogo por
fricção; oxidantes, ou seja, que podem liberar oxigênio, estimulando a combustão; resíduos
gasosos inflamáveis.
Corrosividade: é característica de resíduos que, sendo aquoso, apresentar pH menor ou igual a
2, ou maior ou igual a 12,5 ou sua mistura com água, na proporção de 1:1 em peso, produzir
uma solução com as mesmas condições estabelecidas acima. E ainda, se o resíduo aquoso ou
o seu líquido produzido for capaz de corroer o aço (COPANT 1020) a uma razão maior que
6,35mm ao ano, à temperatura de 55°C.
Reatividade: é característica de resíduos instáveis que reagem violentamente com a água ou
que formam misturas potencialmente explosivas com ela; geram vapores tóxicos; possuam
íons CN- ou S2- em concentrações superiores ao limite de 250mg de HCN liberável ou 500mg
de H2S liberável por quilograma de resíduo; produzam reação ou decomposição explosiva a
25ºC e 0,1MPa; ou sejam explosivos.
Toxicidade: é característica de resíduos que apresentam uma das seguintes propriedades:
a) o extrato obtido desta amostra, segundo a ABNT NBR 10005 (ABNT, 2004b),
contiver qualquer um dos contaminantes em concentrações superiores aos valores
constantes no anexo F da norma (ABNT, 2004a). Neste caso, o resíduo deve ser
caracterizado como tóxico com base no ensaio de lixiviação;
b) possuir uma ou mais substâncias constantes no anexo C desta norma e apresentar
toxicidade;
43
c) ser constituído por restos de embalagens contaminadas com substâncias constantes nos
anexos D ou E da norma NBR 10004;
d) resultar de derramamentos ou de produtos fora de especificação ou do prazo de
validade que contenham quaisquer substâncias constantes nos anexos D ou E NBR
10004;
e) ser comprovadamente letal ao homem;
f) possuir substância em concentração comprovadamente letal ao homem ou estudos do
resíduo que demonstrem um DL50 (dose letal para 50% da população), quando
administrada por via oral em ratos menor que 50mg.kg-1 ou CL50 (concentração letal
para 50% da população) administrada por via respiratória em ratos menor que 2mg.L-1
ou uma DL50 quando administrada em contato com a pele para coelhos menor que
200mg.kg-1.
Patogenicidade: é característica de resíduos que contenham ou haja suspeita de conter
microorganismos patogênicos, proteínas virais, ácido desoxiribonucléico (DNA) ou ácido
Notas: 1. O módulo de finura da zona ótima varia de 2,20 a 2,90. 2. O módulo de finura da zona utilizável inferior varia de 1,55 a 2,20. 3. O módulo de finura da zona utilizável superior varia de 2,90 a 3,50.
Quanto ao módulo de finura, os agregados miúdos podem ser classificados como
areias grossas, médias ou finas. Portanto, são classificados como areia grossa aquelas que
possuem módulo de finura (MF) maior do que 3,3, areia média aquelas que possuírem MF
entre 2,4 e 3,3 e quando o MF é menor do que 2,4, a areia é classificada como fina (RIBEIRO
et al., 2002).
4.4.3 Determinação da Absorção de Água
A norma ABNT NBR NM 30 (ABNT, 2001) estabelece o método de determinação da
absorção de água dos agregados miúdos destinados ao uso em concretos.
Absorção é o processo pelo qual um líquido é conduzido e tende a ocupar os poros
permeáveis de um corpo sólido poroso. Para os efeitos da norma, é também o incremento de
massa de um corpo sólido poroso devido à penetração de um líquido (água) em seus poros
permeáveis, em relação a sua massa em estado seco. Agregados definidos como “saturados
superfície seca” são aqueles cujas partículas absorveram o máximo de água, mas apresentam a
superfície seca.
A amostra do agregado para ensaio deve ter aproximadamente 1kg, tendo sido obtida
por quarteamento prévio. Normalmente o ensaio é realizado em replicata.
Primeiramente a amostra é colocada em um recipiente (uma bandeja metálica) e
secada a uma temperatura de (105 ± 5)°C, até que a diferença massa (m) seja menor do que
46
0,1g, em duas determinações consecutivas. A etapa de secagem é dispensável quando a
dosagem do concreto for realizada com base em agregados no estado úmido. A amostra é
então coberta com água e fica assim por 24h.
Após o período determinado, o excesso de água é retirado e a amostra é espalhada de
modo que fique com uma superfície plana. Ela é então submetida à ação de uma suave
corrente de ar quente, revolvendo a amostra com frequência para assegurar uma secagem
uniforme. A secagem é feita até que os grãos de agregado miúdo não fiquem aderidos entre si
de forma marcante.
O agregado miúdo é então colocado em um molde tronco-cônico, sem ser
comprimido, e em sua superfície são aplicados 25 golpes com a haste de compactação. O
molde deve ser levantado verticalmente e, se houver umidade superficial, o agregado se
conservará com a forma do molde. A situação intermediária entre o desmoronamento e a
manutenção intacta da forma deve ser anotada.
Continuar a secagem, revolvendo a amostra constantemente e realizar ensaios a
intervalos frequentes, até que o cone de agregado miúdo desmorone ao ser retirado o molde.
Neste momento o agregado terá chegado à condição de saturado superfície seca. A massa
“ms”é determinada com aproximação de 0,1g.
Se o cone desmoronar na primeira tentativa, é porque a secagem foi efetuada além do
ponto de “saturado superfície seca” do agregado. Nesse caso, é necessário adicionar alguns
mililitros de água à amostra, que deve ser intimamente misturada e permanecer em repouso
durante 30 minutos, em recipiente tampado, após o que deve ser reiniciado o processo de
secagem e ensaio.
A absorção de água é calculada mediante a fórmula apresentada na Equação 4-1:
� � AB � AA . 100
Equação 4-1
Em que:
A é a absorção de água, em porcentagem;
ms é a massa ao ar da amostra na condição saturado e de superfície seca, em gramas e
m é a massa da amostra seca em estufa, em gramas.
47
4.4.4 Determinação da Massa específica
Massa específica é definida como a relação entre a massa do agregado seco em estufa
(100 – 110°C) e o volume dos grãos, incluindo os poros impermeáveis. O procedimento para
determinação da massa específica é apresentada na norma MERCOSUL NM 52:2002
“Agregado fino – Determinação de massa específica e massa específica aparente”
(MERCOSUL, 2002) e está descrito neste item.
Antes de executar o procedimento, a amostra deve ser preparada. Este método de
preparação segue o mesmo procedimento descrito na norma NBR NM 30 para determinação
da absorção de água pelo agregado miúdo (ABNT, 2001), descrito no item 4.4.3.
Após preparação da amostra, medir (500 ± 0,1)g de amostra (ms), colocar em um
frasco com capacidade de 500cm3 e com erro inferior a 0,15cm3 a 20°C e registrar a massa do
conjunto (m1). Em seguida, encher o frasco com água até próxima da marca de 500cm3 e
depois movê-lo de forma a eliminar todas as bolhas de ar. Colocar o frasco em um banho
mantido a temperatura constante de (21 ± 2)°C.
Após 1 hora, aproximadamente, completar com água até a marca de 500cm3 e
determinar a massa total com precisão de 0,1g (m2). Retirar o agregado miúdo do frasco e
secá-lo a (105 ± 5)°C até massa constante. Esfriar à temperatura ambiente em dessecador e
pesar com precisão de 0,1g (m).
A massa específica é então calculada de acordo com a fórmula descrita na Equação
4-2:
(� � A�D � DE� � AB � AFE
Equação 4-2
Em que:
d3 é a massa específica do agregado, em gramas por centímetros cúbicos;
m é a massa da amostra seca em estufa, em gramas;
V é o volume do frasco, em centímetros cúbicos;
Va é o volume de água adicionado ao frasco, determinado segundo Equação 4-3, em
centímetros cúbicos;
48
DE � A � A FE
Equação 4-3
ms, é a massa da amostra na condição saturada superfície seca, em gramas e
ρa, é a massa específica da água, em gramas por centímetro cúbico.
4.4.5 Determinação da Massa Unitária
A massa unitária em estado solto é definida como a relação entre a massa do agregado
seco contida em um determinado recipiente e o seu volume. As dimensões do recipiente
variam em função da dimensão máxima característica do agregado, de acordo com a Tabela
4-2 abaixo:
Tabela 4-2 - Dimensões do recipiente paralelepípedico (ABNT, 2006).
Dimensão máxima
característica do
agregado (mm)
Dimensões mínimas
(mm) Volume (dm3)
Base Altura
≤ 4,75 316 x 316 150 15
> 4,75 e ≤50 316 x 316 200 20
>50 447 X 447 300 60
A norma NBR NM 45:2006 Agregado em estado solto - Determinação da massa
unitária, estabelece os requisitos e a descrição do ensaio. A amostra disponível deve ocupar o
dobro do volume do recipiente determinado e deve estar totalmente seca, pois a massa
unitária varia com o teor de umidade.
O ensaio consiste em encher o recipiente, determinado segundo a Tabela 4-2 e de
massa previamente medida, lançando o agregado de uma altura de 10 a 12cm do topo. Para
agregados miúdos, a superfície ao final deve ser alisada com régua. Enfim, mede-se a massa
do recipiente cheio com agregado.
49
A massa unitária, então, é calculada dividindo a massa do agregado pelo volume do
recipiente. Devem ser realizadas três determinações e os resultados individuais devem
apresentar desvios menores ou iguais a 1% em relação à média. O resultado é então expresso
com aproximação de 0,01kg.dm-3.
A determinação da massa unitária é de grande importância, pois é a partir dela que se
faz a transformação do traço, em volume, para a massa.
4.4.6 Determinação do Coeficiente de Inchamento
O inchamento é um fenômeno de variação do volume aparente provocado pela
adsorção de água livre pelos poros do agregado miúdo e este fenômeno interfere na massa
unitária do agregado. Este é avaliado pelo coeficiente de inchamento que é determinado pelo
quociente entre os volumes úmido e seco de uma mesma massa de agregados.
Portanto é importante determinar o coeficiente de inchamento médio ou a média entre
o coeficiente de inchamento máximo e aquele correspondente à umidade crítica, para
encontrar o volume de agregado miúdo úmido a ser medido quando a sua umidade estiver
acima da umidade crítica - teor de umidade acima do qual o coeficiente de inchamento pode
ser considerado constante e igual ao coeficiente de inchamento médio.
Este ensaio é realizado segundo a norma da ABNT “Agregado - Determinação do
inchamento do agregado miúdo” (ABNT, 2009) e necessita que a amostra seja seca em estufa
até constância da massa, que sua massa unitária seja determinada e que sua quantidade seja o
dobro do volume do recipiente segundo a Tabela 4-2. A amostra deve ser resfriada e
homogeneizada e, então, colocada dentro de uma forma grande e é adicionada água
sucessivamente para os seguintes teores de umidade: 0,5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 7%, 9% e
12%. Para cada adição de água, é necessário homogeneizar a amostra, determinar sua “massa
unitária úmida” e determinar seu teor de umidade.
Para os diversos teores de umidade (10 teores), os respectivos coeficientes de
inchamento (CI) devem ser calculados utilizando a fórmula apresentada na Equação 4-4:
�G � DHDI � JKJH . �100 � ��100
Equação 4-4
50
Em que:
Vh é o volume do agregado úmido;
V0 é o volume do agregado no estado seco;
γs é a massa unitária do agregado seco;
γh é a massa unitária do agregado úmido, e
H é o teor de umidade do agregado, em %.
A partir dos dados calculados, o gráfico teor de umidade versus coeficiente de
inchamento pode ser elaborado. A curva de inchamento é então traçada e ela fornece uma
representação aproximada do fenômeno. A umidade crítica, o coeficiente de inchamento
máximo e o coeficiente para a umidade crítica é determinada de acordo com as seguintes
instruções para a construção do gráfico, que está apresentado na Figura 4-5 (ABNT, 2009):
• Traçar a reta tangente à curva paralela ao eixo das umidades;
• Traçar a corda que une a origem de coordenadas ao ponto de tangência da reta
traçada;
• Traçar outra tangente à curva, paralela a esta corda;
• A abscissa correspondente ao ponto de interseção das duas tangentes á a
umidade crítica.
Figura 4-5 - Gráfico coeficiente de inchamento versus umidade, em que ponto A é o
coeficiente máximo, o ponto B é o coeficiente para a umidade crítica e o ponto C é a umidade
crítica (ABNT, 2009).
51
O coeficiente de inchamento é determinado pela média aritmética entre os coeficientes
de inchamento máximo (ponto A, Figura 4-5) e aquele correspondente a umidade crítica
(ponto B, Figura 4-5), conforme (Equação 4-5):
�G0 � � � L2
Equação 4-5
4.4.7 Difração de raios X
Um feixe de raios X em um cristal interage com os átomos presentes originando o
fenômeno de espalhamento e consequente difração desses raios X. Por meio da difração é
possível originar ondas espalhadas de direção definida, mesma fase e mesma energia da onda
incidente, denominada colisão elástica, ou ondas de direção não definida que não mantêm a
mesma fase nem a mesma energia da onda incidente ou colisão inelástica, também conhecida
como efeito Compton. Para que haja uma interferência construtiva das ondas espalhadas ou
colisão elástica é necessário que seja obedecida à condição mostrada na Equação 4-6 que
estabelece a relação entre o comprimento de onda dos raios X (λ), o ângulo de difração (θ) e a
distância (d) entre os planos que a originaram (característicos para cada fase cristalina). Esta
equação é conhecida como a Lei de Bragg (BLEICHER e SASAKI, 2000):
M � 2( �N� O
Equação 4-6
Os feixes de raios X incididos na amostra com certa distribuição de pequenos
cristalitos (amostra na forma de pó) em ângulos variáveis formarão picos de intensidade
devido aos planos cristalográficos referentes a cada ângulo de incidência. A Figura 4-6 ilustra
este fenômeno. As linhas horizontais representam os planos cristalinos e as setas representam
os raios X incidentes no cristal. Quando a condição da Equação 4-6 é obedecida, há um pico
de intensidade. Ao colocarmos a intensidade em função do ângulo de espalhamento 2θ
(ângulo formado entre a onda incidente e a onda espalhada) é possível obter um gráfico
chamado difratograma. Desta forma é possível determinar a composição do material através
da difração de raios X (BLEICHER e SASAKI, 2000).
52
FONTE: (BLEICHER e SASAKI, 2000)
Figura 4-6 – Interferência entre raios X em nível planar.
A técnica de difração de raios X possui inúmeras vantagens na caracterização de
materiais, como a simplicidade e a rapidez. Além disso, os resultados são muito confiáveis,
pois o perfil de difração obtido é característico de cada fase cristalina do mineral e ainda há
possibilidade de analisar materiais compostos por uma mistura de fase e quantificar estas
fases.
4.4.8 Análise por Ativação Neutrônica
A análise por ativação neutrônica (AAN) da composição química dos elementos em
uma amostra ocorre por meio da indução de radioatividade dos elementos nela presentes,
mediante irradiação com nêutrons e posterior medida das radiações emitidas pelos
radionuclídeos formados. A quantificação dos elementos pode ser feita com base em amostras
padrões dos elementos.
O procedimento usual para a irradiação constitui, inicialmente, em acondicionar as
amostras nos seus respectivos tubos de polietileno com capacidade para 0,5mL ou
aproximadamente 0,3g de amostra. Estes tubos, por sua vez, são acondicionados em tubos
maiores de polietileno e, então, inseridos em outros denominados “coelhos”, tubos adequados
para a irradiação no reator.
53
4.4.9 Microscopia Eletrônica de Varredura e Microsonda EDS
Com imagens geradas pela microscopia eletrônica de varredura (MEV), pode-se
realizar a análise morfológica de um material. Essa investigação é importante para assegurar
que as associações entre a estrutura e as propriedades do material estejam suficientemente
compreendidas e, a partir deste conhecimento, prever e avaliar seu comportamento macro
estrutural (PEREIRA, 2011).
O processo de preparação da amostra é importante para a otimização da análise. Para
isso é necessário o recobrimento da superfície da amostra por uma película, metálica ou de
carbono, os quais são bons condutores de elétrons.
O uso da microscopia eletrônica de varredura (MEV) é de grande importância por
fornecer informações detalhadas, com aumentos de até 300.000 vezes. A imagem eletrônica
de varredura é formada pela incidência de um feixe de elétrons no material, sob condições de
vácuo. A incidência do feixe de elétrons promove a emissão de elétrons secundários,
retroespalhados, auger e absorvidos, assim como de raios X característicos e de
catodoluminescência. A imagem eletrônica de varredura representa em tons de cinza o
mapeamento e a contagem de elétrons secundários (SE – secondary electrons) e
retroespalhados (BSE – backscattered electrons) emitidos pelo material analisado.
A resolução obtida em imagens de SE corresponde ao diâmetro do feixe de elétrons
incidente e pode variar de acordo com as especificações do equipamento utilizado na análise.
Outro condicionante de resolução para a imagem de SE são as condições de calibração do
aparelho, tal como a intensidade da corrente e condições de vácuo.
Ao MEV pode ser acoplado o sistema de EDS (Energy Dispersive Spectroscopy), o
qual possibilita a determinação da composição qualitativa e semiquantitativa das amostras, a
partir da emissão de raios X característicos. O limite de detecção é da ordem de 1%, mas pode
variar de acordo com as especificações utilizadas durante a análise, como o tempo de
contagem, por exemplo. (DUARTE et al., 2003).
4.5 Cimentação
A imobilização de rejeitos radioativospor meio da cimentação é uma técnica
largamente utilizada na área nuclear, que tem como objetivo acondicionar e solidificar os
54
rejeitos radioativos gerados em diversas atividades nessa área. Tal método consiste na mistura
do rejeito com o cimento e esta técnica também apresenta eficiência para resíduos que
contêm, principalmente, metais pesados. Ao misturarem-se com cimento, diversos cátions são
convertidos em carbonatos e hidróxidos insolúveis. Além disso, eles ficam retidos na estrutura
cristalina da pasta de cimento, diminuindo assim o risco de serem liberados para o meio.
O cimento é um material bastante utilizado devido à grande experiência em operações
de engenharia civil, por ser facilmente acessível, de baixo custo, além da simplicidade quanto
à operação. No caso de rejeitos radioativos, tem ainda a função de blindagem contra a
radiação. Além disso, os produtos de rejeito cimentado costumam apresentar boas
propriedades mecânicas (SILVA, 1997).
De acordo com Tello (2005) apud Pereira Júnior (2011) a grande evolução para o uso
da cimentação, no intuito de imobilizar resíduos, é a utilização do produto solidificado
originado, desde que se prove que a retenção dos contaminantes é máxima e que não há
liberação acima dos limites permitidos.
4.5.1 Viscosidade da argamassa fresca
A viscosidade da argamassa fresca representa seu grau de trabalhabilidade. Cada tipo de
equipamento de mistura exige uma faixa de trabalhabilidade para que a argamassa atinja a
homogeneidade desejada e assim possam ser obtidos produtos de boa qualidade (PEREIRA,
2011).
A trabalhabilidade pode ser definida como sendo o conjunto de propriedades que
envolvem a facilidade de assentamento e a resistência à segregação de argamassa e concreto
frescos (PETRUCCI et al., 1968).
A faixa de trabalhabilidade de um sistema depende da forma de adição dos materiais, da
ausência ou presença de pás de misturas e de sua forma etc.
A medida de viscosidade para pastas de cimento é bastante complexa, porque assim que
ocorre a adição de água ao cimento são iniciadas as reações de hidratação. Segundo Haucz et
al (2008), o ensaio deve ser realizado após o tempo de estabilização de 3 minutos, contados a
partir do final da preparação da pasta, e as leituras devem ser realizadas durante o período de
4 minutos, devendo ser finalizadas no máximo em 15 minutos, contados a partir do início da
preparação da pasta.
55
4.5.2 Tempo de pega da argamassa fresca
De acordo com Mehta e Monteiro (1994) a pega envolve a evolução das propriedades
mecânicas da pasta fresca de cimento no início do processo de endurecimento. Este fenômeno
é a manifestação física das reações químicas entre o cimento e a água. Um método usual para
determinação do início e do fim da pega é o de resistência à penetração, no qual os pontos de
início e de fim pega definem, respectivamente, o limite do manuseio da massa e o início do
desenvolvimento da resistência mecânica (PEREIRA, 2011).
Segundo Siqueira (2008), no processo de hidratação, os grãos de cimento que
inicialmente encontram-se em suspensão, vão se aglutinando paulatinamente uns aos outros,
por efeito de floculação, conduzindo finalmente à construção de um esqueleto sólido,
responsável pela estabilidade da estrutura geral. O prosseguimento da hidratação em
subsequentes idades conduz ao endurecimento responsável pela aquisição permanente de
qualidades mecânicas, características do produto acabado (SIQUEIRA, 2008).
O tempo de pega pode variar com a composição da pasta, sendo assim os tempos de
pega da argamassa ou do concreto, usualmente, não coincidem com o tempo de pega do
cimento com o qual são feitos (MEHTA e MONTEIRO, 1994).
4.5.3 Índice de vazios da argamassa endurecida
O conhecimento da porosidade é de grande interesse em diversos materiais e em
argamassas de cimento não seria diferente. Nestas, a porcentagem de vazios implica em
características importantes para a durabilidade e desempenho da pasta, tais como a
permeabilidade e a resistência às ações mecânicas.
Segundo Mehta e Monteiro (1994), a resistência à compressão diminui com o aumento
da porosidade e é influenciada principalmente por poros grandes. Poros com diâmetro menor
do que 10nm não têm influência representativa na resistência da pasta. Isso explica o aumento
da resistência com a evolução da cura, uma vez que, à medida que ocorre a hidratação, os
espaços vazios vão dando lugar às fases naturais da pasta, sendo uma delas composta pelo
silicato de cálcio hidratado, que possui espaços interlamelares menores que 25Å. Assim a
distribuição do tamanho dos poros tende a passar de poros grandes para pequenos (TAYLOR,
1990).
56
A avaliação da porosidade pode ser realizada de acordo com a norma NBR 9778
“Argamassa e concreto endurecidos - Determinação da absorção de água, índice de vazios e
massa específica” (ABNT, 2005), que apresenta o ensaio para medida de absorção de água e
índice de vazios, do qual são extraídas as informações da porcentagem total de poros grandes
e pequenos da pasta.
Um método para a medida do índice de vazios proporcionados pelos poros maiores da
pasta é a picnometria, tendo o hélio ou o metanol como fluido. No ensaio de absorção de
água, ela é absorvida por todos os vazios da pasta. No caso do metanol, ele não consegue
entrar nos espaços interlamelares presentes no silicato de cálcio hidratado, enquanto o hélio
apresenta dificuldades de penetração (TAYLOR, 1990). Sendo assim, os ensaios com estes
dois últimos fluidos apresentam informações basicamente sobre os poros maiores
O melhor conhecimento da distribuição do tamanho de poros pode ser obtido via
adsorção de nitrogênio, que também fornece informações sobre a área superficial do material,
porém é necessário que ele possua área superficial elevada.
4.5.4 Ensaio de Resistência à Compressão
Segundo Mehta e Monteiro (1994), a resistência de um material é definida como a sua
capacidade de resistir à tensão sem ruptura e costuma ser identificada com o aparecimento de
fissuras. No entanto, pastas endurecidas de cimento contêm microfissuras antes mesmo de
serem submetidas às tensões externas. Assim, a resistência nestes materiais está associada à
tensão máxima necessária para causar a fratura, condição esta chamada de grau de ruptura
(PEREIRA, 2011).
No ensaio de resistência à compressão (RC) de corpos cimentícios, nem sempre se
observa a fratura externa no corpo de prova, pois a estrutura interna deste alcança um grau de
fissuração elevado, de modo que não é possível aplicar uma tensão maior sem que o corpo
frature.
Esse ensaio consiste em submeter corpos de prova à tensão crescente e contínua até a
ruptura. No Brasil usualmente são utilizados corpos de prova cilíndricos de 5cm de diâmetro e
10cm de altura para argamassas e para concretos 15cm de diâmetro e 30cm de altura, sendo
que a compressão uniaxial de corpos de prova com 28 dias é mundialmente aceita como um
índice geral da resistência da pasta endurecida de cimento e de concreto. O ensaio de RC para
57
cimento Portland é apresentado na ABNT NBR 7215 (ABNT, 1997). Para peças de concreto
para pavimentação, são utilizadas as normas NBR 9781 “Peças de Concreto para
Pavimentação – Especificação” (ABNT, 1987b) e a NBR 9780 “Peças de Concreto para
Pavimentação – Determinação da Resistência à Compressão – Método de ensaio” (ABNT,
1987a).
A maneira como a pasta de cimento endurecida reage às tensões aplicadas é
apresentada por Mehta e Monteiro (1994) e Tolentino (2000) como dependente de diferentes
fatores intrínsecos da pasta e de seu ambiente, como máquina de ensaio, condições de cura,
tamanho do corpo de prova, relação água/cimento, porosidade, tipo de cimento, característica
do agregado, entre outros. A relação água/cimento é o fator mais importante em relação à
resistência, uma vez que essa variável influi em outros fatores.
4.6 Caracterização dos Superplastificantes - SP
Alguns métodos e técnicas de análises permitem caracterizar superplastificantes de
maneira bem abrangente. Segundo Palácios et al. (2003) o comportamento dos aditivos
depende de sua composição química e iônica, dos grupos funcionais orgânicos presentes e de
sua estrutura. Estão descritos, a seguir, diferentes métodos e técnicas de caracterização que
permitem conhecer algumas propriedades relevantes do comportamento dos
superplastificantes em sistemas cimentícios.
4.6.1 Caracterização físico-química dos aditivos
As propriedades físico-químicas de um aditivo dão informações acerca de sua natureza
química. A maioria dessas propriedades é fácil de determinar, como a cor, o conteúdo em
sólido, o pH, a massa específica, a viscosidade e a condutividade elétrica. Por exemplo, um
aditivo com elevada viscosidade, indica que este é constituído por um polímero de elevada
massa molecular. Se ele tiver elevada condutividade elétrica significa que ele contém grande
quantidade de eletrólitos (RAMACHANDRAN et al., 1998).
58
4.6.2 Composição química
Para descrever a composição química de um aditivo, deve-se fazer uma análise
elementar completa, além de uma determinação qualitativa e quantitativa dos íons que o
compõe.
Os elementos químicos de maior interesse na caracterização de aditivos são carbono
(C), hidrogênio (H), nitrogênio (N), oxigênio (O), enxofre (S) e os íons metálicos como sódio
(Na), cálcio (Ca) e potássio (K).
Normalmente, o conteúdo em C, H, N, O e S é analisado por via úmida ou por
analisadores elementares. Já os íons metálicos podem ser determinados e quantificados por
ICP (Inductively Coupled Plasma) ou Absorção Atômica (AA).
Mediante a análise elementar, pode-se ter conhecimento a respeito da natureza do
aditivo, ou seja, se ele é orgânico ou inorgânico, em função do seu conteúdo em carbono ou se
é um composto sulfonado ou não, etc. (PALACIOS et al., 2003).
A determinação e a quantificação das espécies iônicas nos aditivos proporcionam
informações importantes acerca da presença de eletrólitos.
4.6.3 Caracterização estrutural
Conhecendo-se a composição química e iônica dos superplastificantes é importante
avaliar os grupos funcionais presentes e a característica de sua estrutura. Técnicas analíticas
empregadas para obter-se conhecimento sobre estas propriedades são a Espectroscopia na
região do Infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) e a Ressonância Magnética
Nuclear (RMN).
A Espectroscopia por Infravermelho (IV) permite identificar as espécies químicas
presentes pela determinação da posição (número de onda) em que grupos funcionais distintos
apresentam bandas de absorção por meio da avaliação dos espectros de IV.
No caso de compostos orgânicos, podem-se verificar vibrações moleculares, devido à
interação entre a radiação IV e a molécula, de duas classes: vibrações de esqueleto, em que
participam todos os átomos da molécula e vibrações características de grupos. Os números de
onda das vibrações de esqueleto estão no intervalo de 1.400-700cm-1 e dependem da estrutura
linear ou ramificada do composto (SKOOG, 1998).
59
A espectroscopia por RMN é baseada na medição da absorção de radiação
eletromagnética na região de radiofrequência (4 a 900MHz) pelos núcleos dos átomos. A
absorção característica de energia por núcleos que giram dentro de um potente campo
magnético, depois de irradiado por outro campo secundário mais fraco e perpendicular ao
primeiro, permite identificar a configuração atômica nas moléculas (SKOOG, 1998).
60
5 PARTE EXPERIMENTAL
O resíduo utilizado neste trabalho foi coletado e cedido pela empresa Samarco
Mineração. A amostra foi originada da blendagem do resíduo gerado em diferentes dias e
linhas de produção para produzir uma amostra com a melhor representatividade da amostra
quanto às possíveis variações de processamento.
A amostra foi homogeneizada pela formação de uma pilha cônica alongada (Figura
5-1) e quarteada. A homogeneização é importante para garantir que as frações utilizadas nos
experimentos sejam iguais. Como cada mistura requer uma massa de resíduo em torno de
2,5kg, cerca de 200kg da amostra quarteada foram separados em frações de aproximadamente
2,5kg (Figura 5-1). Metade dos pacotes foi utilizada nos ensaios de caracterização e
cimentação e a outra metade foi guardada como contraprova.
Figura 5-1 - Aspectos da homogeneização da amostra de resíduo.
Para a classificação do resíduo arenoso foram realizados os testes de solubilização e
lixiviação, conforme as normas da ABNT (ABNT, 2004a; ABNT 2004b; ABNT 2004c;
ABNT, 2004d).
Para a caracterização do resíduo arenoso, as seguintes análises e ensaios foram
realizados:
• Granulometria.
• Absorção de água.
• Massa específica.
• Massa unitária.
• Coeficiente de Inchamento.
• Difração de raios X.
61
• Análise por Ativação Neutrônica.
• Microanálise (MEV e EDS).
RESÍDUO ARENOSO – Classificação
Foram feitos ensaios da avaliação da toxicidade do resíduo por meio da análise dos
extratos lixiviados e solubilizados, obtidos de acordo com as normas ABNT NBR 10004,
10005 e 10006 (ABNT, 2004a; ABNT, 2004b; ABNT, 2004c).
5.1 Extrato Lixiviados
Os extratos lixiviados foram obtidos agitando (100,0 ± 0,1)g de amostra acondicionada
em um frasco hermeticamente fechado em contato com uma solução previamente definida
(solução de extração n°01 ou n° 02 – item 4.2.6 da norma NBR 10005, definida em função do
pH da solução obtida do resíduo – item 5.1.3 da mesma norma), durante (18 ± 2)h à
temperatura de até 25°C com uma rotação de (30 ± 2)rpm no agitador rotatório (ABNT,
2004c). Após este período, a amostra foi filtrada em aparelho de filtração pressurizado, com
filtro de fibra de vidro isento de resinas e com porosidade de 0,6 a 0,8µm. O extrato obtido foi
denominado extrato lixiviado.
5.2 Solubilização do resíduo
Os extratos solubilizados foram obtidos colocando-se a amostra representativa seca de
250g de resíduo em béquer de 1500mL. Em seguida, 1000mL de água deionizada e isenta de
material orgânico foi adicionada sobre o resíduo. O sistema foi agitado, em baixa velocidade,
por 5 minutos. Os béqueres foram recobertos com filme de PVC e deixados em repouso por 7
dias, em temperatura de 25°C. O sistema foi filtrado em aparelho de filtração guarnecido com
membrana filtrante com 0,45µm de porosidade (ABNT, 2004c).
62
RESÍDUO ARENOSO – Caracterização
5.3 Granulometria
O ensaio granulométrico foi realizado segundo a norma da ABNT NM 248:2003
“Agregados – Determinação da composição granulométrica” (ABNT, 2003).
5.4 Absorção de Água
O ensaio para a determinação da absorção de água foi realizado segundo a norma
ABNT NBR NM 30 “Agregado Miúdo - Determinação da Absorção de Água” (ABNT,
2001).
5.5 Massa específica
Para determinação da massa específica foi realizado o ensaio seguindo o procedimento
descrito na norma MERCOSUL NM 52:2002 “Agregado fino – Determinação de massa
específica e massa específica aparente” (MERCOSUL, 2002).
5.6 Massa unitária
O ensaio para a determinação da massa unitária foi conduzido segundo o
procedimento descrito na norma da ABNT NBR NM 45:2006 “Agregado em estado solto -
Determinação da massa unitária” (ABNT, 2006).
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5.7 Coeficiente de Inchamento
O coeficiente de inchamento foi determinado segundo a norma da ABNT NBR 6467
“Agregado - Determinação do inchamento do agregado miúdo” (ABNT, 2009).
5.8 Difração de Raios X
Na análise utilizada para a identificação das fases cristalinas do resíduo, empregou-se
a técnica de difratometria de raios X pelo método do pó, utilizando o difratômetro de raios X
do CDTN/CNEN, de fabricação Rigaku, modelo Geigerflex semiautomático, com
monocromador de cristal curvo de grafite, tubo de raios X de cobre e uma interface
informatizada para obtenção de dados digitais. A análise foi efetuada variando 2θ de 0 a 70°
na amostra, na forma em que foi recebida.
As condições de operação do difratômetro de raios-X foram as seguintes: fator de
escala de (8x103), constante de tempo de (0,5s), velocidade do registrador de (40mm/mim),
velocidade do goniômetro de (8º2θ/min), intensidade de corrente de (30mA) e tensão de (40
KV).
Os difratogramas de raios X digitais foram confeccionados com as dados coletados
pela interface informatizada a partir de arquivos gerados em planilha, utilizando-se programa
Microsoft Excel® e então convertidos para o programa Crystallographica
®.
A identificação de fases cristalinas foi obtida por comparação do difratograma de raios
X das amostras com o banco de dados do programa Crystallographica Search-Match®
(CSM).
5.9 Análise por Ativação Neutrônica
A análise elementar do resíduo arenoso foi feita por Ativação Neutrônica, utilizando o
Reator TRIGA do CDTN/CNEN. Para isso foram seguidos dois esquemas de irradiação:
irradiação de 5 minutos, para a determinação dos elementos cujos radionuclídeos apresentam
meias-vidas relativamente curtas, T1/2 < 3 horas (Al, Cu, I, Mg, Mn, V, Ti) e irradiação de 8
horas para a determinação dos elementos com radionuclídeos com meias-vidas médias, T1/2
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< 4 dias (K, Na, Br, As, Ga, Sm, La, Au, etc) e longas, T1/2 > 4 dias (Zn, Sb, Sc, Ta, Ce, Fe,
Ca, Sr, etc).
Para a determinação de elementos cujos radionuclídeos são de meias-vidas curtas, a
irradiação foi efetuada amostra por amostra, no canal 40, CR-40, sob um fluxo médio de
nêutrons térmicos de 6,16x1011cm-2s-1, estando o reator TRIGA a 100kW. Os parâmetros f e
α no CR-40 são (20,4 ± 0,2) e (0,0019 ± 0,0002), respectivamente. As irradiações de 8 horas
para a determinação de radionuclídeos de meias-vidas médias e longas foram realizadas no
Canal 7, CR-7, sob um fluxo médio de nêutrons térmicos de 6,35x1011cm-2s-1, estando o
reator TRIGA a 100 kW. Os parâmetros f e α no CR-7 são (22,3 ± 0,2) e (-0,0022 ± 0,0002),
respectivamente. Os materiais de referência analisados junto com as amostras foram: