Análise do desempenho de concretos produzidos com agregado miúdo residual proveniente de mineração Performance analysis of concrete produced with residual fine aggregate from miningRESUMO
A indústria da construção civil consome percentual considerável de recursos naturais para atender o crescimento populacional. Por outro lado, a extração de recursos naturais para agregar ao setor da construção civil gera impactos ambientais seja na emissão de CO2 ou na geração de resíduos sólidos. Para viabilizar a construção civil, a utilização do concreto armado se faz necessária na maioria dos casos. As operações da construção civil e principalmente a produção do concreto e do aço, demandam de setores que extraem uma quantidade substancial de materiais inertes para a produção do concreto e do aço. Diante dessas questões ambientais, buscando minimizar a extração de recursos naturais e dar destino a um resíduo de mineração, este estudo propõe analisar o desempenho no estado fresco e endurecido de concretos que incorporam agregados miúdos residuais provenientes da atividade de mineração. Com base nas curvas de distribuição granulométrica resultantes da combinação de agregados naturais e residuais, foram elaboradas diferentes misturas de concreto com diferentes teores de incorporação de agregado miúdo residual em substituição do agregado miúdo natural. Após a determinação das dosagens, foram realizados ensaios de densidade e abatimento de tronco de cone para avaliar a trabalhabilidade das misturas de concreto em estado fresco e a moldagem de corpos de prova para análise subsequente da resistência à compressão aos 7 e 28 dias de cura, absorção de água por imersão, microscopia eletrônica de varredura e câmara de envelhecimento. Ao final do estudo, constatou-se a possibilidade de utilização do agregado miúdo residual em razão dos resultados obtidos para as composições onde a incorporação de 30% de agregado miúdo residual atingiu resultados próximos aos resultados do material referência, produzido sem a incorporação de agregado miúdo residual.
Palavras-chave:
Agregado miúdo; Resíduo de mineração; Desempenho mecânico; Agregados residuais
ABSTRACT
The construction industry consumes a considerable percentage of natural resources to meet population growth. On the other hand, the extraction of natural resources for the construction sector generates environmental impacts, whether through CO2 emissions or solid waste generation. To make civil construction viable, the use of reinforced concrete is necessary in most cases. Civil construction operations, and especially concrete and steel production, require sectors that extract a substantial amount of inert materials for concrete and steel production. Given these environmental issues, seeking to minimize the extraction of natural resources and dispose of mining waste, this study aims to analyze the performance, in fresh and hardened states, of concrete incorporating residual fine aggregates from mining activities. Based on the particle size distribution curves resulting from the combination of natural and residual aggregates, different concrete mixes were developed with varying levels of residual fine aggregate incorporation to replace natural fine aggregate. After determining the dosages, density and slump tests were performed to evaluate the workability of the fresh concrete mixes. Specimens were molded for subsequent analysis of compressive strength at 7 and 28 days of curing, water absorption by immersion, scanning electron microscopy, and aging chamber. At the end of the study, the possibility of using residual fine aggregate was confirmed due to the results obtained for the compositions where the incorporation of 30% residual fine aggregate achieved results close to those of the reference material produced without the incorporation of residual fine aggregate.
Keywords:
Fine aggregate; Mining residue; Mechanical performance; Residual aggregates
1. INTRODUÇÃO
A extração de matéria prima para a produção do concreto e do aço apresenta impactos negativos ao meio ambiente pois emite dióxido de carbono (um dos gases causadores do efeito estufa) e impulsiona o esgotamento de recursos naturais presentes no meio ambiente, além de contribuir para a geração de resíduos sólidos [1, 2, 3].
A partir do crescimento populacional atrelado à necessidade da urbanização, houve aceleração nas atividades da construção civil e da mineração, gerando rápido adensamento das cidades e, por consequência, crescimento na exploração dos recursos naturais [4, 5, 6].
Dentre os recursos naturais utilizados na construção civil estão inclusos materiais denominados agregados naturais, para a produção do concreto, e o minério de ferro, utilizado na produção do aço. Atrelado a isso, é importante destacar que o Brasil se enquadra, globalmente, como o segundo maior produtor de minério de ferro, com registro de uma contribuição de, aproximadamente, 16% da produção mundial em 2022 [7, 8].
Em busca da redução dos impactos ambientais oriundos do crescimento populacional e urbanização, o ramo da construção civil vem buscando engajar e aprimorar meios para modernizar a infraestrutura urbana e promover melhores condições ambientais e sociais para os seres, com ideias que buscam a racionalização do uso de recursos naturais dentro da construção civil [9, 10].
Partindo do princípio de que a extração de minérios para a produção do aço e a extração de agregados para a produção do concreto geram impactos ambientais, existem estudos que propõem meios de diminuir o consumo desses agregados naturais, constituintes do concreto, incorporando resíduos da atividade mineradora. Isso visa preservar o meio ambiente, reduzindo a emissão de poluentes atmosféricos e resíduos sólidos, além de diminuir a extração de recursos naturais [11].
Neste contexto, o presente trabalho buscou contribuir e acrescentar informações que auxiliem na utilização de agregado miúdo residual de mineração na produção de concreto. Diante disso, este trabalho avaliou as características do material produzido, a partir de diferentes teores de incorporação do agregado miúdo residual buscando desempenho equivalente ao material produzido sem a incorporação do agregado miúdo residual.
2. EXPERIMENTAL
2.1. Materiais
Para o desenvolvimento do estudo, foram empregadas duas amostras de agregados miúdos. Esses materiais provêm de diferentes fontes, sendo uma delas natural de leito de rio localizada na região do vale do Rio Caí no Rio Grande do Sul. Adicionalmente, utilizou-se uma amostra de agregado miúdo residual proveniente da atividade mineradora. Os elementos constituintes das misturas de concreto foram formulados a partir da combinação de agregado miúdo natural, agregado miúdo residual, agregado graúdo e água potável [12, 13]. Além disso, foram incorporados aditivo plastificante e cimento Portland CP II – F40, cujas propriedades foram verificadas conforme as especificações dos fornecedores.
Além de estudar as misturas entre agregado natural e agregado residual, estes materiais inertes foram testados quanto sua composição química, visando comprovar a existência do resíduo de mineração de ferro no agregado residual e possíveis impurezas em ambos os agregados. A Tabela 1 apresenta a composição química dos agregados utilizados no estudo.
O agregado graúdo utilizado na produção dos concretos deste trabalho, trata-se de uma composição de dois tipos, sendo eles do tipo 0 (com diâmetro máximo de grãos de 9,5 mm) e tipo 1 (com dimensão máxima de grãos de 19 mm), ambos derivados de rocha basáltica passante pelo terceiro estágio de britagem VSI (britador de impacto vertical).
A extração destes agregados é realizada na região metropolitana de Porto Alegre – RS pela empresa parceira que destinou o material para o estudo. Para a utilização destes agregados no estudo, foram realizados ensaios de compacidade nos quais buscou-se analisar a melhor curva e/ou maior massa unitária entre a mistura dos tipos de agregado graúdo disponíveis para o presente estudo.
A água empregada no processo de amassamento da mistura é proveniente do poço artesiano. Essa água é classificada como potável, apresentando um pH de 7,75, conforme medido por um pHmetro Digimed. Tal classificação atende aos parâmetros estabelecidos pela norma NBR 15900-1 [14].
Visando modificar a trabalhabilidade das misturas, mantendo, contudo, a relação água/cimento, fez-se uso de aditivo plastificante a base de lignosulfonato na produção dos concretos. As características químicas deste aditivo estão na Tabela 2, conforme fornecido pelo fabricante:
O material aglomerante empregado na fabricação dos concretos foi o cimento Portland CP II – F40, fornecido por empresa colaboradora. Suas propriedades químicas, físicas e mecânicas atenderam aos requisitos estabelecidos pela norma NBR 16697 [15]. A Tabela 3 apresenta os detalhes técnicos do cimento utilizado.
2.2. Métodos
Para a moldagem e cura dos corpos de prova (CP), o concreto foi moldado em CP cilíndricos, apresentando dimensões de 100 x 200 mm (diâmetro x altura). O desmoldante foi aplicado nas formas conforme a norma NBR 5738 [16], a fim de evitar a adesão do concreto. Posteriormente, os CP foram adensados manualmente, método escolhido com base no abatimento das misturas de acordo com a NBR 5738 [16] onde, para abatimento até 150 mm, o adensamento foi realizado em 2 camadas com 12 golpes cada, e, para abatimentos com valores iguais ou acima de 160 mm, o adensamento foi realizado em camada única contendo 12 golpes.
2.2.1. Dosagem dos concretos
Nesta etapa foram desenvolvidas três misturas. Para isso, utilizou-se uma adaptação do método de dosagem IPT-EPUSP conforme Nascimento et al., 2023 [7], onde fixou-se o teor de argamassa e o fator água cimento da composição; posteriormente, as massas dos materiais foram equilibradas até chegar no volume da composição. Para reduzir e comparar a quantidade de água de amassamento das misturas sem perder a trabalhabilidade do material, diminuindo também o consumo de cimento sem alterar o fator a/c, empregou-se o uso de aditivo plastificante na composição, gerando três misturas desenvolvidas, conforme apresentado na Figura 1, foram desenvolvidas 3 composições para 1 m3 de concreto, com o objetivo de validar a proposta do estudo.
As composições buscaram atingir a resistência de 33 MPa, considerando o desvio padrão de 3 MPa apresentado no método de dosagem.
Para isso, as misturas tiveram o fator água cimento fixo em 0,58 a partir da curva Abrams, conforme apresentado na Figura 2, e teor de argamassa em 55% para ajuste na etapa experimental caso necessário. Também é necessário salientar que, para o desenvolvimento do estudo, houve a incorporação do aditivo plastificante na dosagem de 0,85% sobre o peso do cimento, onde os dados deste componente químico estão apresentados na Figura 2.
Para a dosagem dos concretos utilizou-se agregado miúdo natural e agregado miúdo residual. As proporções de agregados miúdo residual foram estipuladas em 10% obtendo a melhor curva de distribuição e 30% obtendo a melhor massa unitária, conforme ensaios de caracterização dos agregados.
2.3. Caracterização das amostras
A caracterização dos componentes do concreto ocorreu em uma betoneira de eixo inclinado, com capacidade de 150 litros, visando obter-se concretos com resistências mecânicas de no mínimo 30 MPa e analisar-se a densidade e trabalhabilidade dos concretos, em conformidade com as configurações estabelecidas pela NBR 12655 [17]. Para a verificação da trabalhabilidade das misturas, realizou-se o ensaio de abatimento de tronco de cone (slump test), seguindo todas as especificações preconizadas pela NBR 16889 [18], onde o cone de Abrams, posicionado sobre uma superfície metálica previamente umedecida, foi preenchido em 3 camadas com o auxílio de haste metálica. Adensou-se o concreto com 25 golpes para cada camada e, após o adensamento, retirou-se o cone lentamente para aferir-se a consistência do concreto produzido. O resultado é obtido da distância do topo do concreto resultante até o topo do cone utilizado no ensaio. Todas as misturas tiveram seu teor de argamassa e fator água cimento fixado para análise da consistência das diferentes moldagens. Após a identificação e armazenamento conforme as diretrizes da NBR 5738 [16] e um período inicial de cura de 24 horas, os CP foram desmoldados e transferidos para uma câmara úmida com temperatura controlada de 23ºC e umidade de 95%, onde foram mantidos até serem realizados os ensaios no estado endurecido. A determinação da densidade do concreto em seu estado fresco e endurecido, foi conduzida de acordo com as diretrizes da norma NBR 9833 [19]. Após a preparação do concreto fresco, as peças foram submetidas a um procedimento de pesagem, com o objetivo de determinar a massa do concreto. Posteriormente, foram realizados cálculos para a obtenção da densidade do concreto no estado fresco, que consiste em uma relação entre a massa e o volume do material. Para a determinação da resistência à compressão axial foram seguidos os critérios estipulados pela NBR 5739 [20]. Anteriormente, os corpos de prova foram retificados para garantir a planicidade e perpendicularidade entre estes e a prensa, conforme especificado pela NBR 5738 [16]. Os ensaios de ruptura dos corpos de prova foram realizados aos 7 e 28 dias de cura dos concretos, sendo utilizados três corpos de prova por idade. O rompimento dos corpos de prova ocorreu em uma prensa com aplicação de carga de 2000 kN, com uma taxa de aplicação de carga constante de 0,45 MPa/s. Para definir o percentual de absorção de água do concreto em estado endurecido, foram moldados corpos de prova para o ensaio de absorção de água por imersão, conforme as determinações da NBR 9778 [21]. As amostras foram secas em estufa por 72 horas na temperatura de 105ºC, após a secagem e leitura das massas, as amostras foram submersas em tanque de água pelo período de 72 horas, possibilitando assim a leitura da massa saturada do concreto e posteriormente determinando o percentual de absorção de água. Para analisar a morfologia e microestrutura das amostras foi utilizado um microscópio eletrônico de varredura (MEV), JSM-6510LV modelo, Jeol, com parâmetros de 20 kV, equipado com EDS (Espectroscopia de Raios X por Dispersão em Energia) e 1000x magnificação. A utilização deste ensaio também possibilitou analisar e comparar a diferença entre as misturas quanto à sua microestrutura. Os parâmetros utilizados para a execução do ensaio, foram baseados nos estudos de CAMPOS e PAULON [22] e MEINHART et al. [23]. Para determinar a durabilidade por molhagem e secagem, foram adaptados os parâmetros da NBR 13554 [24]. Para isso foram moldados exclusivamente 3 CP para cada composição a serem submetidos a 3 ciclos de molhagem e secagem; cada ciclo correspondeu a 72 horas de secagem dos CP a uma temperatura de 105ºC em estufa. O ciclo de molhagem consistiu em submeter os corpos de prova à submersão em recipientes com água potável e temperatura controlada de 25±2ºC, onde ao final do ensaio os corpos de prova foram rompidos a fim de determinar a relação entre resistência a compressão e os ciclos de molhagem e secagem. Já para determinar a durabilidade dos concretos produzidos frente o envelhecimento foi realizado com base na NBR 15380 [25] adaptado para concreto, onde as amostras foram submetidas a ciclos de radiação ultravioleta com duração de 1400 horas cada ciclo, onde cada 150 horas equivalem a aproximadamente 6 meses de exposição. A condição de irradiação submetida foi de 71 W/m2/nm normatizada pela ASTM G154, por fim os corpos de prova resultantes do ensaio foram submetidos ao ensaio de resistência à compressão. O objetivo foi simular o desgaste das amostras causado por luz solar, chuva e orvalho, pelo período aproximado de 1400 horas equivalendo a 5 anos de exposição ao intemperismo, a fim de avaliar a durabilidade do concreto que poderá ser utilizado no setor da construção civil.
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
3.1. Caracterização e composição dos agregados
As Figuras 3 e 4 apresentam a curva de distribuição granulométrica dos agregados utilizados para a produção dos concretos deste estudo. Para o agregado miúdo, buscou-se atingir misturas onde as características físicas possibilitaram encontrar curvas de distribuição granulométrica adequadas perante à norma e a maior massa unitária possível entre a mistura do agregado natural com o residual.
Ao analisar-se a Figura 3, observa-se que o agregado miúdo natural proveniente de leito de rio possui sua curva de distribuição granulométrica com sua maior parte dentro dos limites ótimos determinados pela norma, o mesmo possui dimensão máxima característica de 4,76 mm e módulo de finura 2,50. Ou seja, o agregado miúdo, representado pela linha ciano com pontos vermelhos, possui uma distribuição de partículas altamente satisfatória, situando-se predominantemente dentro da zona ótima e respeitando os limites das zonas utilizáveis.
Estudos recentes, como o de Souza e colaboradores publicado em 2024 [26], nos mostram que podemos interpretar o efeito dessa distribuição granulométrica em termos de trabalhabilidade e reologia. Ou seja, da mesma maneira como os que discutem a incorporação de resíduos e areias naturais em matrizes cimentícias. Esses estudos corroboram que agregados que ocupam a zona ótima garantem um empacotamento de partículas mais eficiente [27]. Neste caso, a granulometria tem um efeito direto na composição do agregado, diminuindo os espaços vazios entre os grãos, e a quantidade de pasta de cimento para lubrificar o sistema, por exemplo, o que melhora a consistência e a facilidade de aplicação do concreto ou argamassa, sem a necessidade de aumentar a relação água/cimento (a/c).
Quanto a durabilidade e a porosidade demonstrada pelas amostras, nota-se que o agregado obtido não é muito fino e nem excessivamente grosso, o que proporciona a obtenção de uma matriz mais densa, que impede a penetração de agentes agressivos [27]. Esses relatos também foram observados em 2024 por Souza [26] e colaboradores, eles publicaram em seu trabalho que a obtenção de uma granulometria bem graduada, como é o caso do nosso agregado (Figura 3), é primordial para a durabilidade das amostras, pois possibilita uma maior vida útil da estrutura. Também vale destacar que a continuidade da curva granulométrica está diretamente relacionada as propriedades mecânicas dos agregados, como por exemplo, à resistência à compressão. O fato de a curva do “agregado” estar bem próxima a curvatura da zona ótima, indica que haverá uma boa transferência de tensões entre os grãos [27].
A partir do que é apresentado na Figura 4, as linhas pretas e tracejadas definem os limites normativos. A zona ótima se localiza no espaço entre as duas linhas pretas centrais. A zona utilizável é a região delimitada pelas linhas tracejadas externas (limites inferior e superior). E por fim, a linha Turquesa, representa a amostra analisada, ou seja, o agregado miúdo residual proveniente de rejeitos de mineração. Pelo gráfico nota-se que a maior parte da curva está localizada fora da zona utilizável, determinada pela Norma 7211 [13]. O restante da curva enquadra-se nos limites da zona utilizável, tendo sua dimensão máxima característica dos grãos como 1,19 mm e módulo de finura 0,74.
Com base na literatura técnica, NBR 7211 [13], destaca-se que agregados que operam fora da “zona utilizável”, como neste caso, tendem a aumentar o consumo de água na mistura, devido a maior área superficial, reduzem a resistência mecânica se o consumo de cimento não for ajustado e elevam o risco de fissuração por retração em argamassas e concretos.
Sendo assim, o agregado analisado é inadequado para uso direto como agregado miúdo residual padrão, pois sua curva granulométrica está situada fora dos limites normativos (zona utilizável). Para ser utilizado em compósitos cimentícios este material precisaria ser misturado com um agregado de granulometria mais grossa para que a mistura resultante se enquadrasse dentro da zona ótima ou utilizável, garantindo melhor empacotamento das partículas e desempenho mecânico [28].
A Tabela 4 apresenta os resultados obtidos para os ensaios de densidade e massa unitária dos agregados miúdos.
Ao observar os dados contidos na Tabela 4, afirma-se que o agregado miúdo residual (3,011 g/cm3) apresenta densidade superior e massa unitária inferior quando comparado ao agregado miúdo natural (2,677 g/cm3). Esta diferença entre os valores de densidade é ocasionada devido a composição de minério de ferro contido no agregado miúdo residual, pois o ferro possui densidade elevada se comparado ao quartzo, que é o elemento que compõe a maior parte dos agregados miúdos naturais. Esta elevada densidade observada no agregado miúdo residual, é típico de resíduos industriais e indicam a existência de um arranjo físico que favorece a porosidade intergranular. Segundo OLIVEIRA et al. [28] agregados com essa característica impactam o peso próprio das misturas cimentícias, exigindo ajustes volumétricos na dosagem.
Por outro lado, a massa unitária (1,540 g/cm3) está diretamente ligada à compacidade dos materiais, ou seja, a massa unitária está atrelada à curva de distribuição granulométrica, pois este dado considera os vazios presentes no elemento estudado [29]. Para utilizar o agregado miúdo residual no estudo, foi analisada a composição onde houve a maior massa unitária entre a mistura de agregado miúdo natural e agregado miúdo residual e a curva de distribuição granulométrica da mistura que sofreu o menor impacto após a adição do agregado residual devido o agregado miúdo residual apresentar faixas de distribuição granulométrica uniforme, ou seja, maior parte dos grãos de mesma dimensão.
A diferença observada entre a elevada densidade real (3,011 g/cm3) e a reduzida massa unitária (1,540 g/cm3) do agregado residual sugerem um material com baixa eficiência de empacotamento. Conforme discutido por SILVA et al. [30], tais variações físicas são determinantes para a trabalhabilidade e o desempenho mecânico de blocos modulares e argamassas poliméricas.
A Tabela 5, apresenta a massa unitária da mistura de agregado miúdo natural e agregado miúdo residual, tendo a mistura com maior massa unitária a mistura 70-30 que utilizou 70% de agregado miúdo natural e 30% de agregado miúdo residual.
Conforme os dados apresentados na Tabela 5, nota-se que a mistura que atingiu a maior massa unitária entre a mistura de agregado miúdo natural e agregado miúdo residual foi a mistura composta por 30% de agregado miúdo residual e 70% de agregado miúdo natural; a massa unitária desta composição teve sua compacidade elevada em razão do preenchimento dos poros existentes aliado a maior densidade do minério de ferro que compõe o agregado miúdo residual. Por outro lado, observa-se que a mistura 60-40 atingiu a mesma massa unitária média da mistura 70-30, porém curva de distribuição granulométrica mais prejudicada em relação a mistura 60-40 conforme apresentado na Figura 5.
Curva de distribuição granulométrica da mistura com percentual de 30% de agregado miúdo residual e 70% de agregado miúdo natural.
Este desempenho pode ser observado também nos estudos de NASCIMENTO et al. [7], onde os autores utilizaram agregado miúdo residual de mineração em sua composição.
A Figura 5 demonstra que a mistura 70–30 apresenta uma pequena porção da curva fora da zona utilizável determinada pela NBR 7211 [13] e maior parte dentro da zona utilizável. Já na zona ótima prevista pela norma, encontra-se a menor parte da curva de distribuição. A mistura 70-30 apresentou dimensão máxima característica de 4,76 mm, módulo de finura 1,97 e a maior massa unitária entre as misturas.
A Figura 6 apresenta a curva que sofreu menos impacto com a adição de agregado miúdo residual, sendo esta da mistura 90-10 onde 90% caracteriza-se como agregado miúdo natural e 10% agregado miúdo residual. A maior parte da curva está enquadrada dentro da zona ótima prevista pela norma citada, entretanto, a mistura presente possui massa unitária inferior à mistura que continha 30% de agregado miúdo residual, conforme exposto na Tabela 5. A mistura 90-10 apresentou dimensão máxima característica de 4,76 mm e módulo de finura 2,32.
Curva de distribuição granulométrica da mistura com percentual de 10% de agregado miúdo residual e 90% de agregado miúdo natural.
As Figuras 7 e 8 buscam apresentar a curva de distribuição granulométrica do agregado graúdo utilizado para o estudo. Nota-se que o agregado graúdo citado apresenta maior parte dos grãos concentrados nas peneiras de abertura 19 mm e 12,5 mm, sendo que o material apresentou dimensão máxima característica de 19 mm e módulo de finura 4,20.
Curva de distribuição granulométrica da mistura com percentual de 40% de agregado miúdo residual e 60% de agregado miúdo natural.
A Figura 9 apresenta o agregado graúdo que possui maior parte dos grãos distribuídos nas peneiras de abertura 12,5 mm, 9,5 mm e 6,3 mm. Este agregado apresentou dimensão máxima característica de 12,5mm e módulo de finura 3,14.
Para viabilizar o uso na produção de concreto, os agregados graúdos citados neste tópico passaram por um processo de caracterização da massa unitária da mistura entre ambos, a Tabela 6 apresenta a densidade e massa unitária dos agregados e a Tabela 7 apresenta os resultados de massa unitária obtida para a mistura destes agregados.
Os resultados destacados na Tabela 7 mostram que a mistura ideal entre os agregados graúdos de dimensão máxima 19 mm e 12,5 mm obteve a melhor massa unitária na proporção de 80–20, onde a máxima compacidade entre os grãos foi obtida, conforme a Figura 10. Devido este resultado, esta foi a mistura de agregado graúdo adotada para a produção do concreto.
Curva de distribuição granulométrica dos percentuais de 20% de agregado graúdo 12,5 mm e 80% de agregado graúdo 19 mm.
3.2. Caracterização no estado fresco
A caracterização no estado fresco tem como objetivo apresentar e analisar os resultados dos ensaios relacionados ao abatimento de tronco de cone “Slump Test” e densidade no estado fresco, a fim de identificar a influência dos resultados em cada mistura de concreto que foi produzido, buscando entender qual a relação entre os resultados e as diferenças de incorporação de agregado miúdo residual. Os resultados estão representados na Tabela 8.
A partir do que foi apresentado na Tabela 8 é possível afirmar que, quanto maior a inserção de agregado miúdo residual, menor o abatimento adquirido em estado fresco. Esta característica está diretamente ligada ao fato de que o agregado miúdo residual possui alto teor de finos em sua composição, característica que pode ser visualizada na Figura 4, que mostra a maior parte dos grãos retidos nas peneiras de abertura menor que 0,149 mm. Diante desta afirmação, o abatimento pode sofrer influência devido à maior área superficial dos grãos finos que estão incorporados na mistura, conforme resultados encontrados em outros estudos [31, 32]. A Tabela 8 revela um comportamento clássico, quando da substituição de agregados naturais por resíduos densos e finos, como o agregado residual de 3011 cm/g3, mostrado anteriormente (Tabela 5).
Em linhas gerais, a inserção de agregado miúdo residual pode interferir em diversas características do concreto, sendo uma delas a densidade do material. Partindo desta premissa, a Tabela 8 apresenta os resultados relacionados a densidade do material, mostrando que a incorporação do agregado miúdo residual proveniente de mineração tende a elevar a densidade do concreto, porém, conforme apresentado no estudo, a mistura que continha 30% de agregado miúdo residual ocasionou o afastamento das partículas devido o alto teor de grãos finos presente na mistura, este afastamento fez com que a mistura que continha 10% de agregado miúdo residual apresentasse densidade média superior quando comparada com as demais misturas.
Em termos de trabalhabilidade, percebe-se uma redução progressiva no abatimento em relação à amostra referência à medida que o teor de resíduo aumenta. Segundo SILVA et al. [30], isso possivelmente ocorre como resultado do aumento da substituição das lacunas existentes, por agregados residuais finos (curva à esquerda no gráfico 4). Esses fatores aumentam a área superficial específica, que por sua vez eleva a demanda de água para molhar os grãos, reduzindo a pasta disponível para a lubrificação da mistura, o que resulta em menor abatimento. Sendo assim, os resultados de abatimento e densidade (Tabela 8) corroboram com a caracterização física dos agregados. A redução observada de 22 cm para 17 cm, respectivamente, evidencia a interferência da morfologia e finura do agregado residual, na reologia da mistura. Tal fenômeno também foi observado recentemente por Silva e colaboradores [30], que atribuem esta ocorrência a perda de consistência e ao incremento da área superficial do sistema. Em contrapartida, o pico de densidade observado na amostra T2-10% sugere que este é o teor de substituição que proporciona o melhor equilíbrio entre massa específica e empacotamento, antes que os grãos finos excedentes comecem a reduzir a compacidade do concreto, como observado na amostra T3 (30%).
3.3. Caracterização no estado endurecido
O material produzido em laboratório foi submetido ao ensaio de resistência à compressão a fim de avaliar uma de suas propriedades físicas no estado endurecido, para melhor avaliação da resistência à compressão e análise do impacto ambiental do uso do agregado miúdo residual. A Tabela 9 apresenta os resultados para os rompimentos, nas idades de 7 e 28 dias.
Conforme apresentado na Tabela 9, observa-se que os resultados de resistência à compressão não apresentaram valores com alta discrepância, porém é possível salientar que a mistura que apresentou o maior resultado foi a que incorporou 30% de agregado miúdo residual em sua composição. A Figura 11 exemplifica os resultados com um gráfico de colunas, para melhor visualização destes dados.
Na sequência, analisou-se estatisticamente a existência de diferença entre os resultados obtidos para o ensaio de resistência à compressão dos corpos de prova. Para isso, adotou-se o método de teste Wilcoxon sendo este um método não paramétrico o qual buscou analisar as variáveis estatisticamente, tendo como base o nível de 95% de confiança. A Tabela 10 apresenta os resultados obtidos para o teste.
Análise estatística dos resultados de resistência à compressão dos corpos de prova pelo teste de Wilcoxon.
Ao analisar-se a Tabela 10, observa-se que não foi obtido cenário onde as amostras apresentaram diferenças significativas entre seus resultados, podendo assim concluir-se que os resultados obtidos para o ensaio de resistência à compressão de corpos de prova cilíndricos são equivalentes, reforçando a ideia de que a inserção do agregado miúdo residual não veio a prejudicar o material desenvolvido neste estudo.
A partir do que é apresentado na Figura 11 e Tabela 10, a mistura 3, contendo 30% de adição de agregado miúdo residual, apresentou 1,9 MPa acima da mistura referência; já a mistura 2, que continha 10% de adição de agregado miúdo residual, apresentou 1,4 MPa a menos quando comparado à mistura referência e 3,3 MPa a menos se comparado à mistura 3. A mistura 3 foi a que apresentou o maior resultado e o maior crescimento de resistência entre 7 e 28 dias, já a mistura 2 apresentou o pior desempenho do estudo.
A massa unitária da mistura entre os agregados é um dos fatores que deve ser levado em consideração, porém, neste estudo, não é possível relacionar o desempenho do concreto apenas à massa unitária pois a mistura referência apresentou a maior massa unitária entre os agregados se comparado a mistura 2 e mistura 3 e melhor curva de distribuição granulométrica; a mistura 2 foi o que apresentou maior densidade em estado fresco, o que comprova o efeito fíler ocasionado pelo agregado e a densidade elevada do minério de ferro, da mesma forma em que foi apresentado no estudo de NASCIMENTO et al. [7].
Conforme afirmou-se, é possível relacionar o desempenho da mistura 3 à presença de minério de ferro em maior quantidade em sua composição. Conforme estudos de NASCIMENTO et al. [7] e PAULA JUNIOR e OLIVEIRA [33], o minério de ferro possui densidade elevada caso comparado ao quartzo e, por sua vez, acaba adquirindo maior resistência às solicitações depositadas no concreto caso comparado às misturas com menor incorporação do agregado miúdo residual, sendo que o agregado miúdo residual também atua preenchendo vazios da mistura, ocasionando o efeito fíler.
Com base nos resultados encontrados para resistência à compressão dos concretos produzidos em laboratório, afirma-se que o desempenho mostrou-se adequado para a utilização no setor da construção civil onde após incorporação de agregado miúdo residual não notou-se perda de desempenho do concreto em relação a mistura referência qual não tinha a incorporação de agregado miúdo residual. A partir desta afirmação, pode-se concluir que o concreto produzido com agregado miúdo residual proveniente de mineração pode ser um meio de aumentar ou manter o padrão de desempenho do concreto, dando destino a um resíduo que poderia estar ocupando espaço em aterro ou lixões.
Os resultados para o ensaio de absorção de água por imersão. A Tabela 11 apresenta os resultados do ensaio após 72 horas de imersão.
Conforme os resultados apontados na Tabela 11, é possível notar-se que a absorção média entre os CP de todas as misturas apresentou valores próximos, onde a menor absorção individual encontrada foi na mistura 3, que continha 30% de adição do agregado miúdo residual e a menor absorção média na mistura 2.
Os valores encontrados para o ensaio de absorção de água por imersão se aproximam de resultados encontrados em outros trabalhos do ramo [34, 35], onde é possível concluir-se que o minério de ferro presente no agregado miúdo residual não oferece influência direta na absorção de água. A característica a ser avaliada para obter bom desempenho neste ensaio está ligada à composição granulométrica e massa unitária da mistura, que são características também avaliadas em estudos [3, 7, 36].
A Figura 12 mostra os resultados referentes ao ensaio de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) para a amostra de concreto referência analisada nas magnitudes de 100x e 3000x. Observa-se na Figura 12 a existência de poros, formação do silicato de cálcio hidratado e etringita primária, que geralmente aparece preenchendo vazios provenientes da pasta de cimento. Sua aparência característica se apresenta em forma de uma rede de agulhas interconectadas, típica de argamassas ou concretos em estágios iniciais de cura.
Na Figura 13 é apresentada a estrutura do concreto que continha a incorporação de 10% de agregado miúdo residual em ampliações de 100x e 3000x, onde observou-se a interação do agregado com a pasta e também a formação do silicato de cálcio hidratado.
Na Figura 14 utilizou-se a ampliação de 10000x para melhor exemplificar a presença de etringita na mistura que continha 10% de agregado miúdo residual. Esta micrografia mostra detalhadamente a microestrutura de uma matriz cimentícia. A imagem captura um momento crítico da hidratação do cimento, destacando a formação da etringita, de fórmula química (CaO)6(Al2O3)(SO3)3·32H2O, geralmente formada durante a hidratação do cimento [37]. Estão representadas pela área circulada em vermelho, apontada pela seta, aleatoriamente dispersas, sem uma orientação preferencial e se apresentando em forma de agulhas ou fibras finas. Além da identificação das agulhas, observa-se também a presença de um aglomerado mais denso e irregular, localizado próximo a parte inferior da imagem. O EDS que acompanha o equipamento identificou que esta matriz é composta majoritariamente por: Silicato de Cálcio Hidratado (C-S-H), é a fase principal, responsável pela resistência mecânica. Costuma ter aparência de “gel” fibroso ou floculado, e portlandita (Ca(OH)2), que uma estrutura que servem de base para o crescimento das agulhas de etringita [38]. Em um estudo recente MAZROA et al. [36] também observaram que etringita é um dos primeiros produtos a se precipitar durante a hidratação. E que no estado fresco, ela ajuda a controlar o tempo de pega, mas se formada tardiamente no concreto endurecido, pode causar expansão e fissuração devido ao aumento do seu volume.
Sendo assim, a imagem corrobora uma hidratação ativa e bem desenvolvida, com a presença de etringita primária preenchendo espaços vazios da pasta de cimento. Essa rede de agulhas interconectadas é típica de argamassas ou concretos, e costuma aparecer em estágios iniciais de cura [38].
Na Figura 15 foram utilizadas magnitudes de 100x e 3000x para mostrar a estrutura da composição que continha 30% de agregado miúdo residual, onde observou-se a formação do silicato de cálcio hidratado e a interação do agregado com a pasta.
Ao analisar-se as Figuras das caracterizações morfológicas, é possível constatar a presença de etringita tardia nas amostras referência e 10%, sendo a única sem a presença de etringita tardia a amostra que continha 30% de agregado miúdo residual. Há duas hipóteses da formação da etringita, a primeira é que pode ter sido originada a partir da contaminação do agregado miúdo natural e a segunda hipótese pode ser devido a temperatura das reações de hidratação elevada onde, caso essa temperatura de hidratação supere os 65 ºC, a etringita primária se dissolverá e se formará posteriormente, causando solicitações internas entre o agregado e a pasta de cimento.
A presença da etringita tardia no concreto pode acarretar em manifestações patológicas como por exemplo micro fissuras na estrutura do material originadas a partir de tensões internas resultantes da reação expansiva após a formação da etringita.
Para o caso em análise, existem duas premissas que conteriam a formação de etringita tardia na composição que continha 30% de agregado miúdo residual, podendo ser o controle de temperatura de hidratação da mistura, devido a maior capacidade de retenção de água por conter mais finos em sua composição, ou os menores teores de óxido de potássio e óxido de sódio presentes no agregado residual utilizado, onde, ao incorporar maior volume de agregado miúdo residual na mistura, consequentemente o teor destes elementos reativos foram menores, prevenindo a formação da etringita tardia.
Outra forma de evitar o surgimento de etringita tardia nestas composições, seria a utilização de materiais menos reativos para compor a mistura, como cinza volante e escória de alto forno. A substituição do tipo de cimento, buscando diminuir a quantidade de clínquer, e a utilização de maior teor de aditivo na mistura também podem ser meios de evitar a formação da etringita tardia neste estudo em específico.
Os resultados da durabilidade após ensaio de molhagem e secagem obtidos após a realização de três ciclos do ensaio de molhagem e secagem, com o objetivo de identificar os possíveis efeitos entre a variação deste ataque ao concreto. A Figura 16 apresenta os resultados obtidos dos rompimentos após o fim dos ciclos.
Ao analisar os resultados, observa-se que a composição mais afetada pelos ciclos de molhagem e secagem foi a composição referência, desta forma, salienta-se que a variação térmica entre os ciclos teve maior incidência de agressão na amostra que não continha a incorporação do agregado miúdo residual. Após análise destes resultados, é possível afirmar-se que a composição que contém menor teor de finos e menor densidade geral, ou seja, menor densidade em estado fresco e endurecido, apresentou o menor desempenho frente às solicitações internas causadas pelo ensaio de durabilidade por molhagem e secagem. Este efeito pode ser explicado devido à maior proporção de vazios na mistura, onde o espaçamento entre as partículas acaba facilitando o surgimento de microfissuras após a ocorrência da dilatação do material quando é submetido a ciclos de molhagem e secagem.
Quanto aos resultados apresentados para as composições que continham a incorporação de agregado miúdo residual, é possível afirmar que estas amostras foram agredidas com o ensaio de durabilidade por molhagem e secagem, porém não foram prejudicadas na mesma intensidade que a amostra referência, a qual apresentou queda de aproximadamente 8,3 MPa enquanto as outras amostras apresentaram queda máxima de 5 MPa, caso comparado aos resultados dos rompimentos aos 28 dias.
A Figura 17 apresenta os resultados após a exposição das amostras a 1400 horas, equivalendo a 2 anos de exposição ao intemperismo, ou seja, submetidos ao ensaio de envelhecimento artificial.
A Figura 18 apresenta o estado das amostras Referência, T-10 e T-30, da direita para esquerda respectivamente, onde observa-se que, após inspeção ocular, as amostras não tiveram diferenças significantes entre elas, o único fator a ser notado é o tom mais amarelado das amostras referência e T-30.
Após analisar-se os resultados apresentados na Figura 18, observa-se que a amostra que continha 30% da incorporação de agregado miúdo residual mostrou o maior resultado dentre as outras amostras. Com estes resultados, pode-se afirmar que todas as amostras obtiveram valores próximos aos valores obtidos no ensaio de resistência à compressão dos corpos de prova aos 28 dias de idade, possibilitando a conclusão de que o concreto produzido em laboratório, incorporando o agregado miúdo residual contaminado com minério de ferro, não apresentou influência significativa frente a exposição de 1400 horas ao intemperismo, afirmando a possibilidade de utilização deste material no setor da construção civil.
4. CONCLUSÕES
Pelos resultados obtidos notou-se que o agregado miúdo residual não possuía características granulométricas adequada conforme a norma NBR 7211 para a produção de concreto sem a utilização de outro agregado miúdo na mistura. Já o agregado miúdo natural apresentou distribuição granulométrica adequada para a utilização na composição de concretos segundo a norma NBR 7211 com módulo de finura de 2,5 e curva dentro das zonas ótima e utilizável. E não é necessário a mistura entre agregados miúdos para adequar o material. A composição que continha 10% da incorporação de agregado miúdo residual apresentou a maior densidade em estado fresco. Já a maior massa unitária foi encontrada na composição de 30% de agregado miúdo residual. Além disso, quanto maior a incorporação do agregado miúdo residual utilizado no estudo, menor será o abatimento do concreto devido ao excesso de finos na composição deste agregado. A amostra que apresentou o menor volume de absorção de água foi a amostra que continha a incorporação de 10% de agregado miúdo residual, onde este fator foi diretamente influenciado pelo efeito fíler da composição dos agregados. E quanto maior o volume de agregado miúdo residual incorporado maior a absorção de água. A análise estatística mostra que os resultados obtidos para a resistência à compressão entre os exemplares de cada composição não apresentaram diferença significativa, ou seja, o agregado miúdo residual não interferiu negativamente na mistura a ponto de prejudicar o desempenho do concreto produzido. Na caracterização morfológica observou-se a presença de etringita tardia nas amostras referência e 10%, onde a amostra 30% não apresentou a existência deste elemento. As micrografias corroboram uma hidratação ativa e bem desenvolvida, com a presença de etringita primária preenchendo espaços vazios da pasta de cimento. O ensaio de durabilidade por molhagem e secagem mostrou que a incorporação de agregado miúdo residual oriundo da mineração de ferro não contribui negativamente para o desempenho do concreto. Já o ensaio de durabilidade por envelhecimento artificial mostrou que as amostras não tiveram grandes interferências nos resultados de resistência à compressão, e inspeção ocular in loco, tendo seus valores próximos aos resultados encontrados nos rompimentos após 28 dias. Este estudo mostra que, independentemente da curva de distribuição granulométrica, a resistência à compressão do concreto é influenciada diretamente pela densidade da mistura entre os agregados e da densidade geral da mistura em estado fresco e endurecido. Por outro lado, a composição granulométrica das misturas dos agregados influencia diretamente na permeabilidade e abatimento da mistura.
5. ACKNOWLEDGMENTS
This work was carried out with the support of the National Council for Scientific and Technological Development (CNPq), a Brazilian government agency linked to the Ministry of Science, Technology and Innovations to encourage research in Brazil. The authors also acknowledge the financial support of the following Brazilian agencies: Coordination for the Improvement of Higher Education Personnel (Capes), Foundation for Research Support of the State of Rio Grande do Sul (FAPERGS) and Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP).
DATA AVAILABILITY
O conjunto de dados que dá suporte aos resultados deste estudo não está disponível publicamente.
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