( PDF ) Beneficiamento e caracterização de resíduos gerados na produção de blocos cerâmicos visando à aplicação como adição pozolânica

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

ESCOLA DE ENGENHARIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CONSTRUÇÃO CIVIL

BENEFICIAMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE

RESÍDUOS GERADOS NA PRODUÇÃO DE BLOCOS

CERÂMICOS VISANDO À APLICAÇÃO COMO

ADIÇÃO POZOLÂNICA

Igor Soares Pinheiro

Belo Horizonte

2008

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Igor Soares Pinheiro

BENEFICIAMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE

RESÍDUOS GERADOS NA PRODUÇÃO DE BLOCOS

CERÂMICOS VISANDO À APLICAÇÃO COMO

ADIÇÃO POZOLÂNICA

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Construção Civil da Escola de

Engenharia da Universidade Federal de Minas

Gerais, como parte dos requisitos necessários

à obtenção do título de Mestre em Construção

Civil.

Área de concentração: Materiais de Construção

Civil.

Linha de pesquisa: Resíduos como Materiais

de Construção Civil.

Orientadora: Profª. Drª. Adriana Guerra Gumieri

Belo Horizonte

Escola de Engenharia da UFMG

2008

Pinheiro, Igor Soares

P654b Beneficiamento e caracterização de resíduos gerados na produção de

blocos cerâmicos visando à aplicação como adição pozolânica.

[manuscrito] - MG / Igor Soares Pinheiro. – 2008.

152p., enc. : il.

Orientador: Adriana Guerra Gumieri

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Minas Gerais,

Escola de Engenharia.

Inclui bibliografia

1. Cerâmica (tecnologia) - Teses. 2. Engenharia Civil – Teses. I.

Gumieri, Adriana Guerra. II. Universidade Federal de Minas Gerais,

Escola de Engenharia III. Título.

CDU: 666.3.7:624

iii

A Deus e a São Judas Tadeu,

por me manterem no caminho.

Aos meus pais, Jandyra e José,

pelo amor eterno, carinho e dedicação.

iv

AGRADECIMENTOS

A Deus, por todas as oportunidade que me concede diariamente,

permitindo que eu trilhasse o caminho que me trouxe até aqui.

Aos meus pais, Jandyra e José, por sempre acreditarem na educação

como elemento de transformação, furtando-se de uma vida mais

tranqüila e confortável, não medindo esforços para propiciar toda a

ajuda necessária para a minha formação moral e acadêmica.

Obrigado, sem vocês seria impossível.

Aos meus irmãos, Tarsus e Thiago, por acreditarem em mim, sempre

apoiando e incentivando meus sonhos e projetos.

A Mariana, minha esposa, que sempre está ao meu lado, aturando

meus momentos de mau humor e descrença na vida.

A minha orientadora, Prof.ª Adriana Gumieri, pela atenção e ajuda

dispensada ao longo destes 2 anos, sempre acompanhando e

contribuindo com seus conhecimentos para o engrandecimento da

pesquisa.

Aos professores e servidores do Departamento de Engenharia de

Minas, em especial aos Professores Luiz Cláudio Monteiro

Montenegro e Paulo Roberto Gomes Brandão, e aos servidores

Alberto e Isabel, pela cooperação, orientação e ajuda durante os

ensaios de caracterização das amostras.

Ao Prof. Wander Luiz Vasconcelos, do Departamento de Engenharia

Metalúrgica e de materiais, pelo auxilio e orientação durante os

ensaios para determinação da área superficial específica.

Aos professores e servidores do Departamento de Engenharia de

Materiais e Construção, que de alguma forma contribuíram para a

conclusão deste trabalho.

v

Aos meus colegas e amigos da Procuradoria da República em Minas

Gerais, pela compreensão e apoio durante este período.

A todos aqueles que vencem pelo esforço e que nunca desistem de

aprender e de lutar por uma sociedade mais justa, mesmo diante das

mazelas sociais do nosso país.

vi

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS............................................................................................... VIII

LISTA DE TABELAS ................................................................................................. X

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS.................................................................. XII

LISTA DE UNIDADES ............................................................................................XIV

RESUMO..................................................................................................................XV

ABSTRACT.............................................................................................................XVI

1. INTRODUÇÃO ...............................................................................................17

1.1. IMPORTÂNCIA DO TEMA .........................................................................20

1.2. OBJETIVOS....................................................................................................21

1.3. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO..................................................................22

2. MATERIAIS POZOLÂNICOS.........................................................................24

2.1. POZOLANAS NATURAIS ..............................................................................28

2.1.1. Vidros Vulcânicos ............................................................................................. 30

2.1.2. Tufos Vulcânicos............................................................................................... 31

2.1.3. Sílicas Opalinas e Terras Diatomáceas............................................................ 31

2.2. POZOLANAS ARTIFICIAIS............................................................................32

2.2.1. Argilas Calcinadas e Metacaulim ..................................................................... 32

2.2.2. Cinzas Volantes................................................................................................. 34

2.2.3. Sílica Ativa ......................................................................................................... 36

2.2.4. Escória de Alto-Forno ....................................................................................... 38

3. CARACTERÍSTICAS E EFEITOS DAS ADIÇÕES POZOLÂNICAS SOBRE

AS PROPRIEDADES DO CIMENTO PORTLAND ...................................................41

3.1. CIMENTO PORTLAND ...................................................................................41

3.2. CONSIDERAÇÕES SOBRE A ATIVIDADE POZOLÂNICA...........................43

3.3. CIMENTO PORTLAND E CONCRETO COM ADIÇÕES POZOLÂNICAS.....45

3.4. CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DE ADIÇÕES DE CERÂMICA

VERMELHA MOÍDA ..............................................................................................54

4. CERÂMICA VERMELHA ...............................................................................57

4.1. INDÚSTRIA CERÂMICA.................................................................................57

vii

4.2 MATÉRIAS-PRIMAS DA CERÂMICA VERMELHA ........................................59

5. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS.............................68

5.1 VISITA À OLARIA E AMOSTRAGEM.............................................................68

5.2. RESÍDUOS CERÂMICOS...............................................................................69

5.3 PROCESSO DE PRODUÇÃO DOS BLOCOS CERÂMICOS .........................70

5.4 MOAGEM DOS RESÍDUOS ............................................................................77

5.5 CARACTERIZAÇÃO DO RESÍDUO................................................................86

5.5.1 Granulometria por elutriação (Cyclosizer Warman)......................................... 87

5.5.2 Granulometria a Laser........................................................................................ 89

Considerações Sobre os Ensaios de Granulometria................................................ 94

5.5.3 Densidade (Picnômetro a Gás).......................................................................... 94

5.5.4 Área Superficial Específica................................................................................ 95

5.5.5 Espectrometria de Fluorescência de Raios-X .................................................. 97

5.5.6 Difração de Raios-X............................................................................................ 98

5.5.7 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Microanálise (EDS)............... 100

5.5.8 Índice de Atividade Pozolânica com Cimento Portland................................. 112

5.5.9 Índice de Atividade Pozolânica em Cimento Portland Pozolânico ............... 115

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS .........................................................................118

7. SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS ..........................................121

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................122

ANEXOS .................................................................................................................133

viii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1 – Pantheon Romano...........................................................................24

Figura 2.2 - Partícula esférica de cinzas volantes .............................................35

Figura 2.3 - Partículas cenosféricas de cinzas volantes...................................35

Figura 3.1 – Hidróxido de cálcio X cura..............................................................47

Figura 3.2 – Expansão (%) X cura .......................................................................49

Figura 3.3 – Calor de hidratação X % de material pozolânico ..........................51

Figura 3.4 – Resistência à compressão até 28 dias ..........................................51

Figura 3.5 – Resistência à compressão até 1 ano .............................................52

Figura 3.6 – Retração por secagem X tempo.....................................................53

Figura 4.1 – Diagrama das estruturas da caulinita e serpentine......................62

Figura 4.2 – Diagrama das estruturas da montmorilonita e saponita..............63

Figura 4.3 – Diagramas das estruturas da muscovita e ilita e vermiculita.....63

Figura 4.4 – Diagramas das estruturas da haloisita hidratada e não-hidratada

...............................................................................................................................64

Figura 4.5 – Caulinita de origem inglesa - 17 µm...............................................65

Figura 4.6 - Haloisita de origem americana - 2 µm. ...........................................65

Figura 4.7 - Ilita de origem americana – 7,5 µm. ................................................66

Figura 5.1 – Bloco estrutural ...............................................................................69

Figura 5.2 – Vista superior do forno ...................................................................74

Figura 5.3 – Vista superior de uma janela de alimentação ...............................74

Figura 5.4 – Esquema de forno Hoffman – vista superior ................................76

Figura 5.5 – Esquema de forno Hoffman – corte AA.........................................76

Figura 5.6 – Esquema de funcionamento de forno contínuo ...........................76

Figura 5.7– Bloco cerâmico triturado manualmente .........................................77

Figura 5.8 – Moinho utilizado na 1ª tentativa .....................................................78

Figura 5.9 – Amostra após a 1ª tentativa de moagem.......................................79

ix

Figura 5.10 – Britador de mandíbulas.................................................................80

Figura 5.11 – Amostra britada.............................................................................81

Figura 5.12 - Granulometria de entrada no moinho (bloco de vedação) .........82

Figura 5.13 - Granulometria de entrada no moinho (bloco estrutural) ............83

Figura 5.14 – Amostra de vedação após a moagem.........................................85

Figura 5.15 – Amostra estrutural após a moagem.............................................85

Figura 5.16 – Granulometria a laser - (lente = 20 mm – bloco de vedação) ...92

Figura 5.17 –Granulometria a laser - (lente = 50 mm – bloco de vedação) .....92

Figura 5.18 - Granulometria a laser - (lente = 20 mm – bloco de vedação) .....93

Figura 5.19 - Granulometria a laser - (lente = 20 mm – bloco de vedação) .....93

Figura 5.20 – Espectro de difração (bloco de vedação)....................................99

Figura 5.21 – Espectro de difração (bloco estrutural).......................................99

Figura 5.22 – Metalizador...................................................................................101

Figura 5.23 – Porta amostra do metalizador ....................................................101

Figura 5.24 – MEV e EDS ...................................................................................102

Figura 5.25 – Amostra de bloco de vedação (75 X) .........................................103

Figura 5.26 – Amostra de bloco de vedação (1500 X) .....................................104

Figura 5.27 – Amostra de bloco de vedação (1500 X) .....................................104

Figura 5.28 – Bloco de vedação (5000 X) .........................................................106

Figura 5.29 – Bloco de vedação (7500 X) .........................................................107

Figura 5.30 – Bloco estrutural (75 X) ................................................................108

Figura 5.31 – Bloco estrutural (1000 X) ............................................................108

Figura 5.32 – Bloco estrutural (1000 X) ............................................................109

Figura 5.33 – Bloco estrutural (5000 X) ............................................................111

Figura 5.34 – Bloco estrutural (7500 X) ............................................................112

Figura 5.35 – Amostra de bloco de vedação....................................................116

Figura 5.36 - Amostra de bloco estrutural........................................................117

x

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1 - Exigências químicas........................................................................26

Tabela 2.2 - Exigências físicas ............................................................................26

Tabela 2.3 - Exemplos de pozolanas ..................................................................28

Tabela 2.4 - Composição química de pozolanas naturais ................................29

Tabela 2.5 - Composição mineralógica de pozolanas naturais........................30

Tabela 2.6 - Composição química das cinzas volantes ....................................36

Tabela 2.7 - Composição química da escória de alto-forno moída..................39

Tabela 3.1 – Abreviação dos compostos do clínquer .......................................42

Tabela 3.2 - Penetração de água em pastas de cimento Portland e pozolana 47

Tabela 3.3 - Expansão de corpos-de-prova imersos em sulfatos (solução 10%

Na

2

SO

4

)..................................................................................................................53

Tabela 3.4 - Perda de resistência à compressão (solução 4% Na

2

SO

4

)...........54

Tabela 3.5 - Propriedades físico-químicas.........................................................55

Tabela 3.6 - Atividade pozolânica com CP II F 32 após 28 dias de cura..........55

Tabela 3.7 - Hidróxido de cálcio presente na pasta após 28 dias de cura ......56

Tabela 3.8 - Resistência à compressão simples (MPa).....................................56

Tabela 4.1 - Cerâmica vermelha no Brasil (ano 2003) .......................................58

Tabela 4.2 – Cerâmica no Brasil..........................................................................58

Tabela 5.1 - Composição química de uma lama de alto-forno .........................71

Tabela 5.2 - Resultado do peneiramento da 1ª tentativa de moagem..............79

Tabela 5.3 - Granulometria após britagem (bloco de vedação).......................81

Tabela 5.4 - Granulometria após britagem (bloco estrutural)...........................82

Tabela 5.5 - Percentual retido acumulado após 2ª tentativa de moagem........84

Tabela 5.6 - Fatores de correção.........................................................................88

Tabela 5.7 - Granulometria por elutriação (vedação) ........................................89

Tabela 5.8 - Granulometria por elutriação (estrutural)......................................89

xi

Tabela 5.9 - Granulometria a laser ......................................................................91

Tabela 5.10 – Análise química geral (bloco de vedação)................................105

Tabela 5.11 – Análise química pontual (bloco de vedação)............................105

Tabela 5.12 – Análise química geral (bloco estrutural)...................................109

Tabela 5.13 – Análise química pontual (bloco estrutural)...............................110

Tabela 5.14 – Cimento Portland CP V – ARI.....................................................113

Tabela 5.15 – Índice de consistência................................................................114

Tabela 5.16 – Índice de pozolanicidade............................................................115

xii

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ABC Associação Brasileira de Cerâmica

ABCP Associação Brasileira de Cimento Portland

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

ANICER Associação Nacional da Indústria Cerâmica

ARI Alta Resistência Inicial

ASE Área Superficial Específica

BET Brunauer, Emmett e Teller

C

2

S Silicato Dicálcico

C

3

A Aluminato Tricálcico

C

3

S Silicato tricálcico

C

4

AF Ferroaluminato Tetracálcico

CAD concreto de alto desempenho

CEFET-MG Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais

CH Cristais de Hidróxido de Cálcio

CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente

CP Cimento Portland

C-S-H Silicatos de cálcio hidratado

CST Companhia Siderúrgica de Tubarão

DRX Difração de raios-X

EDS Energy-Dispersive Spectrometer

FRX Espectrometria de Fluorescência de Raios-X

IAP Índice de Atividade Pozolânica

IBAMA Instituto Brasileiro de Meio Ambiente e Recursos Naturais Renováveis

IBS Instituto Brasileiro de Siderurgia

MC Metacaulim

xiii

MCAR Metacaulim de Alta Reatividade

MEV Microscopia Eletrônica de Varredura

MMA Ministério do Meio Ambiente

NBR Norma Brasileira Registrada

ONU Organização das Nações Unidas

PIB Produto Interno Bruto

PNUMA Programa das Nações Unidas Para o Meio Ambiente

RCD Resíduos de Construção e Demolição

TM Tijolo Moído

UFMG Universidade Federal de Minas Gerais

UMA Universidade Livre da Mata Atlântica

UN United Nations (Organização das Nações Unidas)

xiv

LISTA DE UNIDADES

# mesh (malha de peneira)

µm micrometro

Å Ångström

kgf/cm² quilograma força por centímetro quadrado

Mega 1 x 10

6

Micro 1 x 10

-6

Mili 1 x 10

-3

Nano 1 x 10

-9

mmHg milímetros de coluna de mercúrio

MPa mega Pascal

nm nanometro

ø diâmetro

ºC graus Celsius

RPM rotações por minuto

Tor Torricelli (mesmo que mmHg)

xv

RESUMO

O emprego de blocos de cerâmica vermelha finamente moídos como

adição pozolânica aos cimentos, argamassas e concretos mostra-se

uma alternativa viável, com vantagens de cunho técnico, econômico e

ambiental, unindo um material desperdiçado pela indústria, e que

nem sempre possui destinação adequada, a insumos e produtos

largamente empregados na construção civil. Este trabalho apresenta

o beneficiamento e caracterização destes resíduos, objetivando sua

aplicação como adição pozolânica às argamassas, cimentos e

concretos. Para tanto, foram utilizadas duas amostras diferentes:

blocos cerâmicos de vedação e estruturais. As amostras fora moídas

durante 150 minutos, obtendo valores abaixo de 19% retidos na

peneira #325 (45 µ m). A densidade obtida através de picnometria foi

de 2,81 e 2,82 g/cm³, respectivamente. A área superficial específica

das amostras foi de 8,46 e 4,26 m²/g, respectivamente, sendo

superiores aos valores médios obtidos no cimento Portland. O ensaio

de difração de raios-x apresentou picos cristalinos identificados

como quartzo e hematita, e parcialmente identificados, como rutilo e

microclina, corroborando com os elementos obtidos na

espectrometria de fluorescência de raios-X. A microscopia eletrônica

de varredura (MEV) e microanálise (EDS) mostraram amostras com

morfologia irregular, com predominância dos óxidos SiO

2

, Al

2

O

3

e

Fe

2

O

3

, cuja soma foi superior a 92%. Os ensaios de atividade

pozolânica com cimento Portand foram satisfatórios quando

comparados à NBR 5752, obtendo índices de atividade pozolânica

superiores à 78%, com água requerida abaixo de 101%,. O ensaio de

atividade pozolânica com cimento Portand pozolânico classificou as

amostras como sendo material pozolânico. Os resultados obtidos

mostraram-se promissores quanto à utilização dos resíduos como

adições pozolânicas, apresentando índices físico-químicos e de

atividade pozolânica dentro dos valores permitidos pelas normas

brasileiras.

Palavras-chave: resíduo cerâmico, chamote, reciclagem, blocos

cerâmicos, adições pozolânicas, índice de atividade pozolânica.

xvi

ABSTRACT

The use of red ceramics bricks finely grinded as pozzolanic addition

to cements, mortar and concrete reveals a viable alternative, with

technical, economic and environmental advantages, joining wasted

material by the industry, which not always has a proper destination,

to the input and products wide used in the civil construction. This

work presents the improvement and characterization of these

residues, objectifying its application as pozzolanic addition to

mortars, cements and concretes. Therefore, two different samples

had been used: structural and seal ceramic bricks. The samples were

grinded during 150 minutes, getting values below of 19% in the sieve

#325 (45 µm). The density gotten through of pycnometer was of 2,82

and 2,81 and g/cm ³, respectively. The surface area of the samples

was 4,26 and 8,46 m²/g, respectively, being superior to the average

values gotten in the Portland cement. The X-rays diffraction analysis

presented crystalline peaks identified as quartz and hematites, and

partially identified, as rutilo and microcline, corroborating with the

elements gotten in the X-rays fluorescence spectrometry. The

scanning electron microscopy and microanalysis had shown samples

with irregular morphology, with predominance of the oxides SiO2,

Al2O3 and Fe2O3, whose addition was superior 92%. The pozzolanic

activity tests with Portland cement were satisfactory if compared to

NBR 5752 values, getting superior indexes of pozzolanic activity to

78%, with required water below 101%. The pozzolanic activity tests

with pozzolanic Portand cement classified the samples as being

pozzolanic materials. The obtained results revealed to be promising

for the use of the studied wastes, presenting physiochemical indexes

and pozzolanic activity within range allowed by the Brazilian norms.

Keywords: ceramic waste, recycling, ceramic bricks, pozzolanic

addiction, pozzolanic activity test.

17

1. INTRODUÇÃO

Através de sua existência, o ser humano tem ocupado e transformado

a superfície terrestre de acordo com suas conveniências. Suas

necessidades de moradia, alimentação, higiene e outras, fizeram com

que o homem habitasse todas as regiões do planeta, com exceção ao

continente antártico. O represamento e mudança de curso de

aqüíferos para captação de água potável, o desmatamento de

florestas para plantio e criação de animais, modificação da topografia

através de escavações e aterros e a extração de minérios são

exemplos das modificações impostas ao meio ambiente.

Essas alterações tornaram-se maiores, mais rápidas e significativas

com o advento da Revolução Industrial. Iniciada na Inglaterra, em

meados do século XVIII, estendeu-se a outros países da Europa,

Japão e Estados Unidos durante o século XIX e caracterizou-se pela

substituição da energia física pela energia mecânica, da ferramenta

pela máquina e da manufatura pela fábrica no processo produtivo.

A Revolução Industrial acelerou o crescimento das cidades. As

populações abandonavam o campo e migravam para os centros

urbanos à procura de oportunidades. Estabelecia-se, então, uma

nova ordem social, onde a escravidão e os produtos agrícolas davam

lugar ao trabalho assalariado e os produtos industrializados.

O impacto das atividades industriais, dos grandes aglomerados

urbanos e da expansão da agricultura sobre a biosfera aumentou. O

crescimento da população urbana trouxe problemas. Não havia a

infra-estrutura para receber a massa de trabalhadores que chegava.

Como conseqüência deste panorama, houve a expansão desmedida

na geração dos resíduos, tanto industrial como urbano. Contudo,

ainda não havia nenhum tipo de gerenciamento sobre os resíduos e

não existiam redes de abastecimento de água e de esgoto sanitário.

18

Os vetores se proliferavam nestas condições, espalhando doenças e

levando milhares de pessoas à morte.

Na Segunda Revolução Industrial, a partir de 1860, novas

transformações técnicas como o motor de combustão interna e o

dínamo, alavancaram ainda mais a produção. A introdução da linha

de montagem em série, nos Estados Unidos, na década de 1920,

revolucionou o parque industrial da época, aumentando a

produtividade e, conseqüentemente, barateando os produtos para o

consumidor. As mercadorias atingiram padronização e quantidades

impensáveis, gerando, posteriormente, o fenômeno da

superprodução. Começava aí o estímulo ao consumo.

Somente a partir da década de 1960, este quadro começou a mudar.

Alguns autores passaram a se preocupar com o impacto causado

pelas atividades antrópicas sobre o meio ambiente. Fatos

importantes como a reunião do Clube de Roma (final dos anos 60), a

Conferência de Estocolmo sobre Meio Ambiente (em 1972) e o

relatório “Nosso Futuro Comum”, elaborado por uma comissão da

ONU em 1987, aumentaram a fomentação sobre o ASSUNTO. A

chamada “Carta de Roterdã” (elaborada em 1991 pela Câmara

Internacional do Comércio - International Chamber of Commerce)

proporcionou mudanças no posicionamento das empresas em relação

à questão ambiental. Este documento trata dos “Princípios do

Desenvolvimento Sustentável” - 16 princípios que estabelecem a

gestão ambiental como uma das mais altas prioridades das empresas

(CLUB OF ROME, 2007; MEADOW S, 1972 e ALBERTON, 2003).

Um dos maiores marcos das mudanças ocorridas foi a Conferência

das Nações Unidas para o Meio Ambiente e o Desenvolvimento,

conhecida como ECO-92 (UNITED NATIONS, 2006 e MMA, 2006).

Realizada no ano de 1992, na cidade do Rio de Janeiro, contou com

a presença de vários líderes mundiais, que discutiram meios para um

desenvolvimento industrial amparado em questões ambientais. A

partir daí foi gerado um documento, conhecido como Agenda 21,

19

onde estão apresentadas as conclusões deste encontro. Destacam-se

as seguintes providências:

 Redução de resíduos;

 Reutilização de subprodutos;

 Reciclagem de resíduos;

 Promoção de sistemas adequados de tratamento e

disposição de resíduos e ampliação da cobertura dos serviços

de limpeza urbana.

Os Estados também mudaram, na tentativa de conter os avanços da

degradação ambiental. A partir da década de 1980, a maioria dos

países criou leis ambientais mais restritivas. Surgiram órgãos

específicos para tratar das questões ambientais. Junte a isto o

aumento da conscientização da população, principalmente dos países

desenvolvidos e a maior veiculação de temas relativos a estas

questões em grandes meios de comunicação.

Nas últimas décadas, a sociedade tem experimentado um interesse

maior e crescente quanto a utilização de novos materiais em

substituição à produtos consagrados, numa tentativa de diminuir o

impacto ambiental causado por eles. Uma das formas encontradas é

o aproveitamento de resíduos como substituição total ou parcial de

outros produtos. Dentro deste tema, os diversos setores que

compõem a construção civil, principalmente as indústrias

cimenteiras, têm especial importância, uma vez que são um dos

maiores consumidores de recursos naturais.

A utilização de adições minerais representa a economia de recursos

naturais na produção de cimentos e concretos, uma vez que são

subprodutos industriais. Além de resíduos já consagrados, como

20

escória de alto forno e a sílica ativa, existe uma gama maior de

resíduos e/ou subprodutos com potencial para a substituição ou

incorporação aos cimentos e concretos, como os próprios resíduos

de construção e demolição (RCD) e cerâmicos, como telhas, tijolos e

blocos.

1.1. IMPORTÂNCIA DO TEMA

Os problemas ambientais têm despertado no ser humano,

principalmente aquele que vive nas grandes cidades, um pensamento

mais profundo sobre a minimização de resíduos por intermédio da

reciclagem e reutilização de produtos que simplesmente seriam

considerados inservíveis. A sociedade, preocupada com o futuro do

planeta, está mais consciente e exigente com o destino final

reservado aos seus resíduos.

É neste contexto que o reuso, a reciclagem de resíduos e a redução

do consumo (“3 R’s”) ganham destaque.

O Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA), por meio da

resolução n.º 264 (BRASIL, 1999), define procedimentos, critérios e

aspectos técnicos para o licenciamento ambiental para o co-

processamento de resíduos em fornos rotativos de clínquer, para a

fabricação de cimento. Esta resolução define o co-processamento

como sendo a “técnica de utilização de resíduos sólidos industriais a

partir do processamento desses como substituto parcial de matéria-

prima e/ou de combustível no sistema forno de produção de clínquer,

na fabricação de cimento”. Outrossim, entre os critérios básicos para

a utilização de resíduos ditados por essa resolução, encontra-se a

alternativa da utilização do resíduo como substituto à matéria-prima,

desde que apresente características similares às dos componentes

normalmente empregados na produção de clínquer, incluindo-se os

materiais mineralizadores e/ou fundentes.

21

A construção civil é responsável por entre 15 e 50% do consumo dos

recursos naturais extraídos e é responsável por cerca de 15% do PIB

brasileiro (JOHN, 2007). Segundo METHA e MONTEIRO (1994), o

consumo mundial de concreto é estimado em 5,5 bilhões de

toneladas por ano, enquanto o de cimento atingiu 2,139 bilhões de

toneladas em 2004 (CIMENTO.ORG, 2007).

Um grande número de pesquisadores tem abordado o tema do

aproveitamento e reciclagem de materiais oriundos de resíduos de

construção e demolição, deixando de fora os resíduos gerados na

produção de insumos para a construção civil.

A indústria cerâmica tem um índice de perdas na cadeia produtiva

entre 5 e 10% da produção (SABOYA JÚNIOR et al, 2000 apud

CORDEIRO, VAILLANT & DÉSIR, 2001). Se considerarmos que a

produção brasileira gira em torno de 64 milhões de toneladas/ano

(ABC, 2007), o volume de resíduo poderia chegar a 6,4 milhões de

toneladas/ano, o que por si só justifica o interesse e o estudo de

temas relacionados ao aproveitamento destes resíduos.

Entretanto, além do volume gerado, os subprodutos cerâmicos

apresentam potencial para utilização como adições minerais ao

cimento Portland e concretos, cabendo aos pesquisadores

delinearem suas qualidades e propriedades, além dos aspectos

técnicos, econômicos e sociais. Somente com estudos sobre os

processos envolvidos será possível determinar a aplicabilidade dos

novos materiais, e conseqüentemente, diminuir o volume de resíduos

gerados.

1.2. OBJETIVOS

O objetivo geral deste trabalho é a caracterização dos resíduos de

cerâmica vermelha gerados durante o processo produtivo de blocos

cerâmicos estruturais e de vedação, com vistas ao beneficiamento e

22

aplicação como adição pozolânica em argamassas, cimentos e

concretos.

Dentre os objetivos específicos deste trabalho, podemos citar:

• Estudo do método de beneficiamento do resíduo bruto por meio

da cominuição (trituração e moagem), visando sua aplicação

como adição ao cimento Portland;

• Caracterização físico-química e microestrutural dos resíduos

após o beneficiamento;

• Avaliação de suas propriedades pozolânicas.

1.3. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

O capítulo 2 apresenta uma revisão bibliográfica dos materiais

pozolânicos, sua história, definições e classificações. Apresenta

também os principais materiais pozolânicos naturais e artificiais,

utilizados dos como adições minerais ao cimento Portland.

O capítulo 3 apresenta uma revisão bibliográfica sobre as

características e efeitos das adições pozolânicas sobre as

propriedades do cimento Portland e concretos, além de

considerações sobre as reações pozolânicas e adições à base de

resíduos cerâmicos.

O capítulo 4 apresenta a cerâmica vermelha e suas aplicações,

fornecendo um panorama sobre a indústria cerâmica brasileira,

principais matérias-primas e suas composições.

O capítulo 5 apresenta os procedimentos experimentais da pesquisa,

desde a visita à olaria, coleta dos resíduos, beneficiamento,

caracterização, ensaios e resultados.

23

O capítulo 6 apresenta as considerações finais sobre a pesquisa,

abordando os resultados obtidos, comparando-os com os modelos

existentes. Outrossim, este capítulo apresenta as dificuldades

encontradas na pesquisa e procedimentos experimentais.

O capítulo 7 apresenta as sugestões e temas para a continuidade da

pesquisa.

24

2. MATERIAIS POZOLÂNICOS

O nome pozolana remete à Roma antiga. Os romanos utilizavam

rochas vulcânicas contendo zeólita, que é uma denominação genérica

de silicatos hidratados de alumínio e/ou cálcio. A zeólita era

encontrada aos pés do Monte Vesuvius, em Pozzuoli. Devido ao

nome da cidade, o material ficou conhecido como pozolana (MEHTA,

1987).

Antes do advento dos cimentos à base de silicatos de cálcio (cimento

Portland) no século XIX, traços de pozolana e cal foram os

precursores dos materiais cimentícios na construção de estruturas

hidráulicas e alvenaria através do mundo.

As pozolanas foram utilizadas pelos Romanos em diversos tipos de

construções (aquedutos, cisternas, diques, etc.), e sua resistência e

durabilidade são comprovadas pelas estruturas que sobreviveram aos

milênios, como por exemplo, o Pantheon Romano (figura 2.1).

Figura 2.1 – Pantheon Romano

Fonte: WIKIPÉDIA, 2006.

25

Embora, o nome tenha sido celebrizado pelos romanos, há indícios

da utilização de argamassas contendo argila calcinada em estruturas

edificadas pela cultura minoana, entre 1500 e 2000 a.C., na ilha de

Creta (LEA, 1971). Os gregos também faziam uso de materiais

pozolânicos, utilizando cinzas vulcânicas oriundas da ilha de

Santorini.

Com a invenção do cimento Portland, o uso de pozolanas naturais

decresceu gradualmente. Este declínio deveu-se às características

comparativas entre os materiais, com vantagens para o primeiro, que

possui tempo de pega mais rápido e maior resistência mecânica.

Segundo a NBR 12653 (ABNT, 1992d), materiais pozolânicos são:

“Materiais silicosos ou silicoaluminosos que, por si sós, possuem

pouca ou nenhuma atividade aglomerante, mas que, quando

finamente divididos e na presença de água, reagem com o hidróxido

de cálcio à temperatura ambiente para formar compostos com

propriedades aglomerantes”.

Para que o material seja considerado com pozolânico, algumas

condições gerais (classificação; embalagem e marcação; transporte e

armazenamento) e específicas (químicas e físicas) devem ser

satisfeitas.

A classificação obedece às seguintes determinações:

 Classe N: Pozolanas naturais e artificiais que obedeçam aos

requisitos da NBR 12653 (Ex.: terras diatomáceas e argilas

calcinadas);

 Classe C: Cinza volante produzida pela queima de carvão

mineral em usinas termoelétricas que obedeçam aos requisitos da

NBR 12653;

 Classe E: Qualquer pozolana cujos requisitos diferem das

classes anteriores, conforme estabelecido na NBR 12653.

26

As tabelas 2.1 e 2.2 apresentam as exigências químicas e físicas

requeridas.

Tabela 2.1 - Exigências químicas

PROPRIEDADES

CLASSE DE MATERIAL POZOLÂNICO

N C E

SiO

2

+ Al

2

O

3

+ Fe

2

O

3

(% mín.) 70 70 50

SO

3

(% máx.) 4,0 5,0 5,0

Teor de Umidade (% máx.) 3,0 3,0 3,0

Perda ao Fogo (% máx.) 10,0 6,0 6,0

Álcalis disponíveis em Na

2

O 1,5 1,5 1,5

Fonte: ABNT, 1992d.

Tabela 2.2 - Exigências físicas

PROPRIEDADES

CLASSE DE MATERIAL POZOLÂNICO

N C E

Material retido na peneira 45 µm

(% máx.)

34 34 34

Índice de atividade pozolânica:

Com cimento aos 28 dias, em relação

ao controle (% mín.)

75 75 75

Com cal aos 7 dias, em MPa 6,0 6,0 6,0

Água requerida (% máx.) 115 110 110

Fonte: ABNT, 1992d.

LEA (1971) cita que não deve haver limitações restritivas quanto à

composição química dos materiais pozolânicos, uma vez que não há

uma correlação exata entre composição química, finura e o estado

vítreo destes materiais. MEHTA e MALHORTA (1987) acrescentam

que a relação entre o estado vítreo e a atividade pozolânica é

complexa e que as normas deveriam considerar características

físicas e mineralógicas, além da composição química dos materiais

pozolânicos.

27

Usualmente, os materiais pozolânicos são divididos em dois grandes

grupos:

a) Pozolanas Naturais: normalmente de origem vulcânica, também

podem ser oriundas de rochas sedimentares ou fósseis. Possuem

grande teor de sílica (dióxido de silício - SiO

2

> 65%);

b) Pozolanas Artificiais: oriundas de processos industriais (Ex.:

escórias, cinzas volantes, etc.) ou tratamento térmico de alguns tipos

de argilas.

Entretanto, existem divergências entre quanto esta classificação,

principalmente quanto à natureza de argilas calcinadas. Alguns

autores, como MONTANHEIRO et al (2002a) e ABNT (1992d),

classificam como pozolanas naturais todas as rochas portadoras de

atividade pozolânica natural. Por outro lado, MEHTA (1987) também

considera como pozolanas naturais os produtos da calcinação dessas

rochas.

FAICK (1963, apud SANTOS, 1992) considera que o termo “pozolana

artificial” deveria ser reservado apenas aos subprodutos industriais,

incluindo a utilização de tijolos e/ou telhas moídos.

A controvérsia também atinge a qualificação das pozolanas

artificiais. DAL MOLIN (2005) classifica a escória granulada de alto-

forno como material cimentante, que não necessita do hidróxido de

cálcio - Ca(OH)

2

- presente no cimento Portland para formar silicatos

de cálcio hidratados (C-S-H), não lhe atribuindo a denominação de

pozolana. Já MONTANHEIRO et al (2002a) classifica-a como sendo

uma pozolana artificial.

A tabela 2.3 apresenta exemplos de pozolanas naturais e artificiais.

28

Tabela 2.3 - Exemplos de pozolanas

POZOLANAS NATURAIS POZOLANAS ARTIFICIAIS

Rochas Vulcânicas Ácidas Escórias Ácidas de Alto-forno

Tufos Vulcânicos Cinzas Volantes

Terras Diatomáceas

Resíduos Argilosos de Folhelhos Betuminosos

Após Extração

Arenitos e Folhelhos

Opalinos

Microssílica

Argilitos de Argilas Mal

Cristalizadas

Argilas Calcinadas (Metacaulinita)

Fonte: MONTANHEIRO et al, 2002a.

2.1. POZOLANAS NATURAIS

Além das controvérsias citadas anteriormente, a classificação de

pozolanas naturais é dificultada pela variedade de suas composições

e propriedades.

Fatores como forma, tamanho e distribuição do tamanho das

partículas, densidade, composição química e mineralógica podem

influenciar a atividade pozolânica, representando um empecilho à

classificação destes materiais.

Baseado no constituinte químico capaz de reagir com o Ca(OH)

2

presente nos produtos hidratados do cimento, MEHTA (1987) propõe

a classificação das pozolanas naturais em quatro categorias:

a) Vidros Vulcânicos;

b) Tufos Vulcânicos;

c) Argilas ou Folhelhos Calcinados;

d) Terra Diatomácea.

29

Para efeito didático, as argilas calcinadas serão abordadas no item

sobre pozolanas artificiais (2.2.1), uma vez que o metacaulim

(espécie de argila calcinada) já é utilizado em escala industrial na

adição ao cimento Portland e na produção de concretos de alto

desempenho (CAD).

As tabelas 2.4 e 2.5 apresentam, respectivamente, a composição

química e análise mineralógica típicas de algumas pozolanas

naturais.

Tabela 2.4 - Composição química de pozolanas naturais

POZOLÂNA SiO

2

Al

2

O

3

Fe

2

O

3

CaO

MgO

ÁLCALIS

PERDA

AO

FOGO

REFERÊNCIA

BIBLIOGRÁFICA

(*)

Terra de

Santorini

65,1 14,5 5,5 3,0 1,1 6,5 3,5 1

Tufo

Vulcânico de

Rheinisch

53,0 16,0 6,0 7,0 3,0 6,0 --- 2

Fenólito 55,7 20,2 2,8 4,2 1,1 10,8 3,6 3

Tufo

Romano

44,7 18,9 10,1 10,3 4,4 6,7 4,4 4

Vidro

Napolitano

54,5 18,3 4,6 7,4 1,0 11,0 3,1 4

Sílica

Opalina

65,4 10,1 4,2 4,6 2,7 1,4 6,3 5

Diatomita 86,0 2,3 1,8 --- 0,6 0,4 5,2 5

Púmice 65,7 15,9 2,5 3,4 1,3 6,9 3,4 5

Púmice de

Jalisco

68,7 14,8 2,3 --- 0,5 9,3 5,6 6

Fonte: ¹MEHTA (1981), ²LOCHER (1985), ³KASSAUTZKI (1983),

4

MASSAZA &

COSTA (1979),

5

MIELENZ, WHITTE & GLANTZ (1950),

6

POO et al (1985) apud

METHA, 1987.

30

Tabela 2.5 - Composição mineralógica de pozolanas naturais

POZOLÂNA

MATÉRIA NÃO-

CRISTALINA

ESTIMADA (%)

PRINCIPAIS

MINERAIS

CRISTALINOS

REFERÊNCIA

BIBLIOGRÁFICA (*)

Terra de Santorini 65 - 75

Quartzo, anortita,

labradorita

1, 7

Tufo Vulcânico de

Rheinisch

50 – 60

Quartzo,

feldspato,

analcine

8

Fenólito Não reportado

Ortoclásio, albite,

piroxênio, calcita

3

Tufo Romano Não reportado

Chabazite,

filipsita,

herschelilite

9

Vidro Napolitano 50 – 70

Quartzo,

feldspato

10

Púmice de Jalisco 90 Sanidina

6

Fonte: ¹MEHTA (1981),

7

NICOLAIDIS (1957),

8

SCHWIETE, LUDWIG & WIGGER

(1961), ³KASSAUTZKI (1983),

9

LEA (1971),

10

MASSAZA (1977),

6

POO et al (1985)

apud METHA, 1987.

2.1.1. Vidros Vulcânicos

Os vidros vulcânicos são rochas extrusivas provenientes do

resfriamento rápido do magma. São ricos em compostos reativos,

principalmente os silicatos de alumínio. As cinzas vulcânicas da ilha

de Santorini, na Grécia, são exemplos deste tipo de pozolana.

De natureza vítrea (não cristalino), possui textura microporosa, que

propicia uma grande superfície específica, responsável pela

reatividade química do material. A área superficial específica obtida

pelo método de BET (adsorção de nitrogênio), apresenta uma faixa

de valores entre 3800 e 15.500 m²/kg. (MEHTA, 1987 e MINEROPAR,

2006).

31

2.1.2. Tufos Vulcânicos

São rochas vulcânicas de granulação média à fina, formadas pela

ação hidrotérmica sobre depósitos de materiais magmáticos (cinzas

vulcânicas) e/ou pulverização de rochas pré-existentes. Seus

componentes possuem diâmetro inferior a 2 mm. A maioria possui de

0,062 a 2 mm (LEINZ & MENDES, 1959, PERONI, 2007 e

MINEROPAR, 2006).

Quanto à composição dos fragmentos, podem ser de três tipos

(SUGUIO, 1998 e GUERRA, 1969):

a) Tufo vulcânico cristalino: O tufo vulcânico cristalino possui em

sua composição mais de 75% de cristais vulcânicos e

fragmentos de cristais ejetados;

b) Tufo vulcânico lítico: No tufo vulcânico lítico predominam

fragmentos de rochas cristalinas geradas do resfriamento

rápido dos materiais vulcânicos;

c) Tufo vulcânico vítreo: Mais de 75% da composição do tufo

vulcânico vítreo é constituída por cinza vulcânica endurecida.

2.1.3. Sílicas Opalinas e Terras Diatomáceas

As sílicas opalinas são formadas pela deposição de sílica gel

hidratada, resultante da deposição de óxidos solúveis lixiviados.

As sílicas opalinas são muito reativas à cal, pois sua alta área

superficial requer um consumo elevado de água. Esta característica

microestrutural é prejudicial à resistência e durabilidade do concreto

(MEHTA & MONTEIRO, 1994).

Geralmente, estes materiais possuem uma grande quantidade de

argilominerais, sendo necessária a calcinação dos mesmos para o

uso como material pozolânico.

32

Um dos principais tipos de sílica opalina é a terra diatomácea. A

terra diatomácea é um sedimento amorfo, de origem orgânica,

formada a partir de compostos hidratados de sílica não-cristalina,

originados a partir da parede celular de organismos unicelulares

aquáticos, como algas microscópicas (SANTOS, 1992). As terras

diatomáceas se destacam como sendo uma das principais

substâncias naturais pozolânicas (MONTANHEIRO, 2002b).

2.2. POZOLANAS ARTIFICIAIS

2.2.1. Argilas Calcinadas e Metacaulim

Como dito anteriormente, existem divergências quanto à

classificação das argilas calcinadas.

Ao contrário dos vidros e tufos vulcânicos, a argila só apresenta

reatividade quando sofre processo térmico. Quando submetidas à

temperaturas entre 600 e 1000 ºC, a estrutura cristalina dos silicatos

presentes na argila é alterada, transformando-a em compostos

amorfos e desordenados, que reagem prontamente com a cal, à

temperatura ambiente. Entretanto, nem todas as argilas calcinadas

apresentam comportamento pozolânico. Argilas compostas por

grande quantidade de minerais muito cristalinos, como quartzo e

feldspato, não produzem um material reativo com cal (MEHTA, 1987).

MIELENZ (1983, apud MEHTA, 1987) descreve que argilas ricas em

minerais caulinita e/ou montmorilonita necessitam ser calcinadas em

temperaturas entre 540 a 980 ºC para apresentarem resultados

satisfatórios de atividade pozolânica. Entretanto, se a montmorilonita

for rica em cátions de sódio livres, seu uso em concretos deve ser

evitado, devido à possíveis reações álcali-agregado. Já as argilas

ricas em vermiculita, clorita e mica não apresentaram atividade

pozolânica satisfatória, se calcinadas abaixo de 1100 ºC.

33

O metacaulim é uma adição mineral originada na calcinação do

rejeito de argilas cauliníticas e caulins em temperaturas entre 600 e

900 ºC. Nesta faixa de temperatura, a argila perde os íons hidroxila

de sua estrutura cristalina, causando a destruição do arranjo

atômico, criando um componente amorfo e de grande instabilidade

química, chamado de metacaulinita (Al

2

Si

2

O

7

), responsável pela

atividade pozolânica, formando predominantemente C-S-H e C

4

AH

x

(DAL MOLIN, 2005).

A temperatura deve ser controlada para evitar a fusão do material,

mas garantindo que o produto final seja reativo com o hidróxido de

cálcio - Ca(OH)

2

. Segundo BARATA (1998), acima de 900 ºC há a

formação de compostos cristalinos estáveis com menor área

superficial específica e pouca atividade pozolânica.

Segundo SOUZA & DAL MOLIN (2002), com a redução do tamanho

das partículas a valores inferiores a 5 µm através da moagem,

constata-se uma excelente atividade pozolânica, sendo denominado

por alguns autores como metacaulim de alta reatividade (MCAR).

Esta capacidade pozolânica faz com que este material possa

substituir parte do cimento no concreto com o objetivo de aumentar a

sua durabilidade e a sua resistência. O nome MCAR também é

atribuído ao resíduo oriundo da indústria de cobertura de papel, que

constitui um caulim beneficiado de extrema finura, brancura e

pureza. Outrossim, o termo também é empregado para distinguir o

produto da calcinação de argilas extremamente finas, com alto teor

de caulinita e material amorfo, de outras, proveniente da calcinação

de argilas ricas em fases pozolanicamente inertes.

De acordo com RAMACHANDRAN et al (2002), a área superficial

específica da metacaulinita é da ordem de 20 m²/g

34

2.2.2. Cinzas Volantes

São resíduos obtidos por meio da precipitação eletrostática ou

captação mecânica das poeiras que acompanham os gases de

combustão dos queimadores de centrais termoelétrico alimentadas

por carvão pulverizado ou granulado (CAMÕES, 2002).

As partículas de carvão pulverizando permanecem na chama oxidante

(1200 a 1600 ºC) durante cerca de dois segundos, promovendo a

fusão total ou parcial do material (SILVA, 1999). Formam-se, assim,

dois tipos de cinzas: pesadas e volantes.

As cinzas pesadas possuem granulometria mais grosseira que as

cinzas volantes, caindo em tanques de resfriamento e removidas.

Devido à finura das partículas, as cinzas volantes são arrastadas

pelos gases oriundos da combustão do carvão. Para coletá-las,

utilizam-se precipitadores eletrostáticos ou métodos mecânicos, que

capturam as partículas antes da emissão na atmosfera. Representam

de 80 a 85% das cinzas produzidas.

É uma das pozolanas artificiais mais comuns. Geralmente, as

partículas possuem formato esférico ou cenosférico, muito fina, com

diâmetros entre 1 e 150 µ m, sendo que a maior parte encontra-se

abaixo de 45 µm. A faixa granulométrica é altamente influenciada

pelo tipo de equipamento (mecânico ou eletrostático) utilizado para

coleta das cinzas. Suas propriedades químicas variam com a

composição do carvão e impurezas contidas no processo. De um

modo geral, 85% da composição química das cinzas é formada

compostos químicos e cristais de sílica (SiO

2

), alumina (Al

2

O

3

), óxido

férrico (Fe

2

O

3

) e cal (CaO) (BERRY & MALHORTA, 1987 e CAMÕES,

2002). As figuras 2.2 e 2.3 apresentam exemplos de partículas de

cinzas volantes.

35

Figura 2.2 - Partícula esférica de cinzas volantes

Fonte: CAMÕES, 2002.

Figura 2.3 - Partículas cenosféricas de cinzas volantes

Fonte: CAMÕES, 2002.

36

A tabela 2.6 apresenta a composição química média das cinzas

volantes.

Tabela 2.6 - Composição química das cinzas volantes

PAÍS SiO

2

Al

2

O

3

Fe

2

O

3

CaO MgO Na

2

O K

2

O SO

3

PERDA

AO

FOGO

Mínimo

Máximo

Alemanha

42

55

24

33

5,4

13

0,6

8,3

0,6

4,3

0,2

1,3

1,1

5,6

0,04

1,9

0,8

5,8

Canadá

48

56

22

33

4,2

11

0,8

9,7

1,9

44

0,3

1,8

2,1

5

--- ---

Dinamarca

48

65

26

36

3,3

8,3

2,2

7,8

---

1,1

2,8

---

3,1

4,9

Espanha

32

64

21

35

5,1

26

1,3

20

0,5

2,7

0,03

0,7

0,4

4

0,2

4

0,5

10

EUA

40

51

17

28

8,5

19

1,2

7

0,8

1,1

0,4

1,8

3

0,3

2,8

1,2

18

França

47

51

26

34

6,9

8,8

2,3

3,3

1,5

2,2

2,3

6,4

0,1

0,60

0,5

4,5

Fonte: ALONSO & WESCH, 1991 apud CAMÕES, 2006.

2.2.3. Sílica Ativa

A sílica ativa, também conhecida comercialmente como microssílica,

é um produto resultante do processo de fabricação de ferro-silício ou

de silício metálico, e mais raramente, em ligas de ferro-cromo e

ferro-manganês.

O processo é realizado em forno elétrico de fusão, tipo arco-voltaico,

em temperaturas elevadas (mais de 2000 ºC), promovendo a reação

de quartzo de alta pureza com o carvão. Durante o processo de

redução do quartzo, parte do silício é liberada na forma de gás

(monóxido de silício gasoso - SiO), que é transportado à zonas de

temperaturas mais baixas, onde entra em contato com o ar,

oxidando-se na forma de dióxido de silício (SiO

2

).

37

A sílica ativa é constituída por altos teores de SiO

2

(entre 85 a 98%),

com partículas esféricas amorfas, com diâmetro entre 0,1 e 0,2 µm e

superfície específica em torno de 20.000 m²/kg (MEHTA, 1987 e

MALHORTA, 1987).

Quando adicionada ao concreto, a sílica ativa promove reações

pozolânicas, alterando a microestrutura do material. Ao contrário das

pozolanas naturais, escórias e cinzas volantes, a reação do SiO

2

com

o Ca(OH)

2

acontece de forma rápida e pouco variável, permitindo o

desenvolvimento da resistência e da baixa permeabilidade em

períodos curtos. Devido ao reduzido tamanho das partículas, a sílica

ativa produz o efeito microfíler, preenchendo os espaços entre os

grãos de cimento e a pasta, atuando como pontos de nucleação e

melhorando a aderência pasta-agregado (DAL MOLIN, 2005).

Dentre as melhorias atribuídas à utilização da sílica ativa, podemos

citar:

 Maior resistência mecânica;

 Proteção da armadura;

 Retenção de água;

 Mais pontos de nucleação;

 Redução do volume de vazios;

 Elevada resistência à abrasão;

 Maior resistência à altas temperaturas (concretos aluminosos);

 Menor permeabilidade.

38

2.2.4. Escória de Alto-Forno

Algumas escórias siderúrgicas podem apresentar propriedades

pozolânicas, mas nem todas. Entre as mais estudas e utilizadas,

encontra-se a escória de alto-forno.

A escória de alto-forno é um resíduo siderúrgico industrial,

proveniente da produção de ferro-gusa. O processo é realizado na

unidade industrial chamada alto-forno, onde se reduzem os óxidos

contidos nos minerais de ferro e se separam as impurezas que os

acompanham.

As escórias se formam pela fusão das impurezas do minério de ferro,

juntamente com a adição de fundentes (calcário e dolomita) e as

cinzas do coque. A escória fundida, por sua insolubilidade e menor

densidade, sobrenada no ferro gusa.

As escórias de alto-forno podem ser resfriadas de duas formas (CST,

2006):

a) Resfriada ao ar ou cristalizada

São vazadas em estado liquido em pátios apropriados, onde são

resfriadas ao ar. Por ser um processo lento, os seus componentes

formam distintas fases cristalinas, e, com isto, não adquirem poder

de aglomerante hidráulico. Essa escória recebe o nome de escória

bruta de alto-forno, podendo ser britada ou utilizada como material

inerte em diversas aplicações, substituindo materiais pétreos.

b) Resfriada com Água ou Granulada

A escória liquida é transportada para os granuladores, que são

equipamentos onde ela é resfriada bruscamente por meio de jatos de

água sob alta pressão. Não havendo tempo suficiente para formação

39

de cristais, essa escória se granula "vitrificando" e recebe o nome de

escória granulada de alto-forno. Devido ao seu grande potencial

hidráulico, a escória granulada de alto-forno tornou-se um material

consagrado como adição ao cimento Portland.

A composição química das escórias de alto-forno varia de acordo

com as matérias-primas empregadas e o tipo de ferro-gusa fabricado.

A tabela 2.7 mostra a composição química aproximada de uma

escória de alto-forno.

Tabela 2.7 - Composição química da escória de alto-forno moída

CARACTERÍSTICA QUÍMICA

RESULTADOS (%)

SiO

2

34,2

Al

2

O

3

11,9

CaO 42,0

Fe

2

O

3

0,4

FeO 0,2

MgO 3,2

K

2

O 0,7

Na

2

O 0,1

Mn

2

O

3

0,9

SO

3

0,03

S 0,06

Fonte: VELTEN, 2006.

Segundo o Instituto Brasileiro de Siderurgia (IBS, 2007), a produção

brasileira de ferro-gusa atingiu 26.733,9 x 10³ toneladas em 2006.

Em 2007, a produção acumulada entre janeiro e outubro já atingia

29.161,0 x 10³ toneladas.

Nos fornos modernos, considerando-se minério de ferro de alta

qualidade, a escória é produzida na razão de 280 a 340 kg por

tonelada de ferro-gusa. Assim, a geração de escória de alto-forno no

Brasil é da ordem de 9 milhões de toneladas.

40

A escória de alto-forno já é considerada como um material tradicional

na adição ao cimento Portland. A ABNT, por intermédio das NBR’s

5735 (ABNT, 1991c) e 11578 (ABNT, 1991e), institui a classificação

“CP III” para cimento Portland de alto-forno e “CP II E” para cimento

Portland composto com escória.

41

3. CARACTERÍSTICAS E EFEITOS DAS ADIÇÕES POZOLÂNICAS

SOBRE AS PROPRIEDADES DO CIMENTO PORTLAND

3.1. CIMENTO PORTLAND

A palavra cimento deriva do latim caementu, que era usada na Roma

antiga para designar uma espécie de pedra natural de rochedos e

não possuía cortes e/ou ângulos retos (FERREIRA, 2004 e

BATTAGIN, 2007).

O termo cimento Portland é a denominação convencional para o

material usualmente conhecido na construção civil como cimento,

sendo assim reconhecido no mundo inteiro (ABCP, 2002).

O cimento Portland é um aglomerante hidráulico, obtido através do

processo de moagem do clínquer, que é um material sinterizado, com

diâmetro entre 5 e 25 mm, rico em silicatos de cálcio hidráulicos,

geralmente adicionado com sulfatos de cálcio (MEHTA & MONTEIRO,

1994).

Antes da moagem, o clínquer sofre a adição de aproximadamente 5%

de gipsita ou sulfato de cálcio, com o intuito de controlar as reações

iniciais de pega e endurecimento do concreto. O produto então é

moído em partículas pequenas, com diâmetros inferiores a 75 µm.

Os compostos do cimento Portland são expressos através dos óxidos

dos elementos presentes, usando-se as abreviações apresentadas na

tabela 3.1.

42

Tabela 3.1 – Abreviação dos compostos do clínquer

ÓXIDO ABREVIAÇÃO COMPOSTOS ABREVIAÇÃO

CaO C 3CaO.SiO

2

C

3

S

SiO

2

S CaO.SiO

2

C

2

S

Al

2

O

3

A 3CaO.Al

2

O

3

C

3

A

Fe

2

O

3

F 4CaO.Al

2

O

3

.Fe

2

O

3

C

4

AF

MgO M 4CaO.3Al

2

O

3

.SO

3

C

4

A

3

S

SO

3

S 3CaO.2SiO

2

.3H

2

O C

3

S

2

H

3

H

2

O H CaSO

4

.2H

2

O CSH

2

Fonte: MEHTA & MONTEIRO, 1994.

Entre os compostos constituintes do cimento Portland, quatro deles

são considerados principais (NEVILLE, 1997), a saber:

• C

3

S (Silicato Tricálcico)

• C

2

S (Silicato Dicálcico)

• C

3

A (Aluminato Tricálcico)

• C

4

AF (Ferroaluminato Tetracálcico)

Para que o cimento Portland adquira as propriedades aglomerantes e

endureça é preciso que uma série de reações de hidratação

aconteça.

Estes compostos, ao hidratarem, cristalizam-se em 3 fases distintas:

silicatos de cálcio hidratados (C-S-H), cristais de hidróxido de cálcio

(CH) e sulfoaluminatos de cálcio.

Segundo MEHTA & MONTEIRO (1994), os sulfoaluminatos de cálcio

correspondem a cerca de 15 a 20% do volume da pasta endurecida,

sendo a fase de menor destaque para o desenvolvimento das

propriedades da pasta.

Já os silicatos de cálcio hidratados possuem uma composição

química que varia de acordo com a relação água/cimento,

temperatura e idade de hidratação. Por isso recebem a abreviação de

43

C-S-H, o que não implica numa composição fixa. Os C-S-H

representam entre 50 e 60% do volume de sólidos da pasta hidratada

de cimento Portland, sendo responsáveis pelas resistências

mecânicas adquiridas após o endurecimento.

Diferentemente do C-S-H, os cristais de hidróxido de cálcio (CH) não

concorrem substancialmente para a resistência mecânica da pasta

endurecida. Dependendo da quantidade de CH, seu efeito pode ser

deletério, tornando a pasta suscetível à ataques químicos.

O Ca(OH)

2

, presente na fase CH, é dissolvido pela água e arrastado

através dos poros. Este processo de dissolução aumenta a

porosidade da pasta endurecida e, com ela, sua permeabilidade. Isto

implica na diminuição da resistência mecânica e tornando o concreto

mais suscetível ao ataque de agentes deletérios.

3.2. CONSIDERAÇÕES SOBRE A ATIVIDADE POZOLÂNICA

O índice de atividade pozolânica (IAP) é utilizado como parâmetro

para avaliação de amostras de materiais destinados à utilização

como adição pozolânica e/ou mineral.

De acordo com a NBR 12653 (1992d), o IAP é uma das exigências

físicas para a classificação de um material como sendo pozolânico.

Além das definições, classificações e exigências físico-químicas

estabelecidas para os materiais pozolânicos, a ABNT disciplina a

metodologia aplicada à obtenção dos índices de atividade pozolânica

(IAP) através das seguintes normas:

• NBR 5751: Materiais Pozolânicos – Determinação de Atividade

Pozolânica - Índice de Atividade Pozolânica com Cal (ABNT,

1992a);

44

• NBR 5752: Materiais Pozolânicos - Determinação de Atividade

Pozolânica com Cimento Portland - Índice de Atividade

Pozolânica com Cimento (ABNT, 1992b);

• NBR 5753: Cimento Portland Pozolânico - Determinação da

Pozolanicidade (ABNT, 1992c).

As NBR’s 5751 e 5752 determinam os índices de atividade pozolânica

pelo comparativo de resistência entre corpos de prova originais de

cal ou cimento Portland e amostras com substituição por material

pozolânico. A NBR 5753 utiliza métodos químicos para determinação

da atividade pozolânica. Estes ensaios serão descritos mais

detalhadamente no capítulo 5.

Embora seja reconhecido o mérito das normas em criar metodologias

para a comparação das atividades pozolânicas, considerando que os

materiais com maior atividade pozolânica seriam melhores para o uso

com o cimento Portland, alguns autores criticam as soluções

adotadas por estas normas. RÊGO et al (2007) cita que a

heterogeneidade entre os materiais pozolânicos explicaria a

incapacidade de criar um modelo único para a avaliação dos índices

de atividade pozolânica (IAP), e que estes ensaios apresentariam

apenas tendências gerais sobre a atividade pozolânica do material

ensaiado. ZAMPIERI (1994, apud RÊGO, 2007) cita que os métodos

para a avaliação da atividade pozolânica são uma combinação de

muitos fatores, que na maioria das vezes, não podem ser totalmente

controlados. As características físicas e/ou mineralógicas do

material, bem como a dosagem utilizada, aliados aos fatores

externos como o cimento utilizado, a relação água/(aglomerante +

adição), a temperatura e as condições de cura, são determinantes

nos resultados destes testes. Assim, segundo esse autor, os

requisitos básicos para uma metodologia de ensaio seriam:

45

a) Ser hábil para distinguir entre materiais pozolânicos ou não;

b) Fornecer informações sobre o grau de atividade pozolânica da

mistura, além de dados sobre o desenvolvimento da resistência

da mesma;

c) Permitir a avaliação dos resultados num certo espaço de tempo,

para que possam ser utilizados o quanto antes pela indústria da

construção.

3.3. CIMENTO PORTLAND E CONCRETO COM ADIÇÕES POZOLÂNICAS

Segundo MEHTA & MONTEIRO (1994), a economia de custos deve

ter sido a razão principal para o desenvolvimento de cimentos

Portland compostos com adições minerais, sejam elas pozolânicas,

cimentantes ou de efeito fíler.

A utilização de adições minerais altera as propriedades reológicas,

micro e macroestruturais dos cimentos, argamassas ou concretos,

podendo prover benefícios ou não. A maior parte destas alterações

está associada à granulometria fina das adições (efeito físico), à

atividade pozolânica (efeito químico), ou a combinação de ambos. O

beneficiamento causado pelas adições minerais é função direta da

dosagem, condições de cura, características físico-químicas e

mineralogia do material empregado (DAL MOLIN, 2005).

As adições pozolânicas devem possuir a capacidade de se combinar

com o Ca (OH)

2

produzido durante a hidratação da pasta de cimento

Portland, evitando os efeitos negativos descritos anteriormente.

Os materiais pozolânicos possuem os mesmos óxidos utilizados no

cimento Portland (SiO

2

, Al

2

O

3

e Fe

2

O

3

), que irão reagir com o

Ca(OH)

2

. Esta interação recebe o nome de reação pozolânica.

46

MEHTA & MONTEIRO (1994) descrevem simplificadamente a

formação de C-S-H a partir de cimento Portland e cimento Portland

pozolânico da seguinte forma:

• Cimento Portland (reação rápida):

C

3

S + H → C-S-H + CH

• Cimento Portland pozolânico (reação lenta):

Pozolana + CH + H → C-S-H

Das reações pozolânicas decorrem três aspectos positivos para a

qualidade da pasta:

I. A reação é mais lenta, se comparada ao cimento Portland

comum. Assim, a liberação de calor e aumento da resistência

também acontecem de forma mais lenta.

II. A reação pozolânica consome Ca(OH)

2

presente, ao invés de

liberá-lo. Esta interação é responsável pela formação de

produtos com propriedades aglomerantes, do mesmo tipo dos

formados na hidratação dos C-S-H, porém de natureza diferente,

com relação CaO/SiO

2

mais baixa (menos alcalinos), mais

resistente aos meios agressivos. A figura 3.1 mostra as

mudanças na proporção do Ca(OH)

2

durante o período de cura,

comparando uma amostra contendo apenas cimento Portland com

outra, que possui 40% de material pozolânico.

47

Figura 3.1 – Hidróxido de cálcio X cura

Fonte: LEA, 1971

III. Os produtos desta reação são eficientes no preenchimento de

espaços capilares grandes, promovendo incremento da

impermeabilidade, com conseqüentes melhorias da resistência

mecânica e durabilidade. METHA (1987) estudou os efeitos da

hidratação por meio de um teste de penetração de água em

corpos-de-prova com percentuais de terra de Santorini em

substituição ao cimento Portland, conforme apresentado na

tabela 3.2.

Tabela 3.2 - Penetração de água em pastas de cimento Portland e pozolana

PROFUNDIDADE DE PENETRAÇÃO (mm)

Terra de Santorini

TEMPO DE

HIDRATAÇÃO

Cimento Portland

10% 20% 30%

28 dias 26 24 25 25

90 dias 25 23 23 22

1 ano 25 23 18 15

Fonte: MEHTA, 1981 apud MEHTA, 1987.

48

Observa-se a redução significativa na permeabilidade das amostras

contendo 20 e 30% de material pozolânico após um ano. Esta

redução é decorrente da reação pozolânica, que transforma o

Ca(OH)2 em C-S-H, reduzindo, assim, a largura dos poros capilares.

SANTOS (1992) acredita que algumas pozolanas possam apresentar

efeitos benéficos sobre as reações álcali-agregado, inibindo-as ou

impedindo-as, por serem capazes de reagir ou adsorver os álcalis

liberados pelo cimento (geralmente expressos por K

2

O e Na

2

O). Esta

opinião é compartilhada por MEHTA (1987), que cita duas correntes

de pesquisa sobre o assunto. Segundo ele, alguns pesquisadores

acreditam que a reação álcali-agregado é causada pela pressão

osmótica, quando o gel de silicatos alcalinos absorve grandes

quantidades de água. Dependendo do tamanho dos grãos,

reatividade e percentual de material pozolânico na amostra, o gel

poderia ser distribuído uniformemente ao longo do concreto, evitando

a formação de uma massa concentrada do gel, que poderia causar

pressão osmótica localizada suficiente para a ruptura. Entretanto,

outros pesquisadores acreditam que, na presença de material

pozolânico, ao invés de gel de sílica alcalina, são formados silicato

de cálcio alcalinos de baixa razão álcali/agregado, que possui

solubilidade mais leve. Entretanto, o autor alerta que nem todas as

pozolanas naturais são efetivas no combate à reação álcali-

agregado. A figura 3.2 apresenta a expansão percentual de uma

amostra de terra de Santorini, em relação ao tempo de cura.

49

Figura 3.2 – Expansão (%) X cura

Fonte: MEHTA, 1981 apud MEHTA, 1987.

MIELENZ (1950, apud Santos, 1992), descreve resumidamente as

vantagens e desvantagens decorrentes do emprego de pozolanas em

concretos, a saber:

Vantag en s:

• A reação álcali-agregado pode ser muito retardada ou inibida;

• A resistência do concreto ao ataque por águas naturais,

especialmente as ricas em sulfato, pode ser aumentada;

• A produção de calor por estruturas maciças pode ser reduzida;

• A quantidade e o custo do componente cimento podem ser

reduzidos;

• A resistência à tração do concreto pode ser aumentada;

• A permeabilidade do concreto pode ser reduzida;

50

• Propriedades antes no início da pega podem ser melhoradas

(trabalhabilidade, tendência à segregação e exsudação de

água).

Desvantagens:

• Aumento do consumo de água, com conseqüente aumento da

retração por secagem;

• Possível diminuição da resistência à compressão;

• Possível diminuição da resistência ao congelamento e/ou

descongelamento;

• Diminuição da velocidade de endurecimento e desenvolvimento

da resistência mecânica;

O efeito de adições pozolânicas sobre o calor de hidratação foi

estudado por MASSAZZA e COSTA (1979) apud MEHTA(1987). Os

pesquisadores demonstraram a redução do calor de hidratação com o

uso de adições pozolânicas, conforme apresentado pela figura 3.3.

Pode-se observar que a relação de decréscimo do calor de

hidratação não é proporcional ao percentual de cimento Portland

substituído.

51

Figura 3.3 – Calor de hidratação X % de material pozolânico

Fonte: MASSAZZA e COSTA (1979) apud MEHTA (1987).

Além dos temas já abordados neste capítulo, MEHTA (1987) também

pesquisou as propriedades de concretos contendo adições

pozolânicas, entre elas: desenvolvimento da resistência à

compressão, resistência ao ataque de sulfatos e a retração por

secagem. As figuras 3.4 e 3.5 mostram os resultados dos ensaios de

resistência à compressão executados pelo ele.

Figura 3.4 – Resistência à compressão até 28 dias

Fonte: MEHTA, 1981 apud MEHTA, 1987.

52

Figura 3.5 – Resistência à compressão até 1 ano

Fonte: MEHTA, 1981 apud MEHTA, 1987.

Até o vigésimo oitavo dia, as amostras contendo pozolana

apresentaram incremento substancial à resistência. Entretanto, após

um ano, os resultados das amostras contendo 20 e 30% de terra de

Santorini ficaram muito próximo ao padrão de referência, e a amostra

contendo 10% de pozolana teve um desempenho melhor que o

padrão.

Em relação à retração por secagem, amostras contendo cimento

Portland-pozolana comumente apresentam maiores valores se

comparadas à amostras com somente cimento Portland. Entretanto, o

autor cita que nem sempre isto ocorre. Segundo ele, existem duas

explicações prováveis para os valores de retração de amostras

contendo pozolana nem sempre sejam tão altas quanto o esperado. A

primeira é que o efeito restringente do agregado na retração da pasta

é mais determinante que a influência da pozolana sobre a amostra.

Outra teoria é a de que a presença de pozolana na amostra torna a

zona de transição pasta-agregado mais forte, se comparada à

amostra sem pozolana, considerando-se a mesma relação

água/cimento. Neste caso, há um aumento da resistência à tração e à

flexão, com conseqüente aumento da resistência à retração.

53

A figura 3.6 mostra a retração por secagem percentual em relação ao

tempo de cura de amostras contendo terra de Santorini.

Figura 3.6 – Retração por secagem X tempo

Fonte: MEHTA, 1981 apud MEHTA, 1987.

Quanto à resistência ao ataque de sulfatos, MEHTA afirma que a

adição de material pozolânico ao cimento Portland traz benefícios,

pois a reação pozolânica, além de diminuir a permeabilidade do

concreto, também forma produtos mais resistentes aos sulfatos

(C-S-H com baixa relação CaO/SiO

2

). As tabelas 3.3 E 3.4

apresentam os resultados das pesquisas do autor sobre a expansão e

a resistência à compressão de corpos-de-prova imersos em solução

de sulfatos.

Tabela 3.3 - Expansão de corpos-de-prova imersos em sulfatos (solução 10% Na

2

SO

4

)

EXPANSÃO

AMOSTRA

4 semanas 8 semanas 12 semanas 26 semanas

Cimento Portland 0,004 0,034 0,212 0,520

10% Terra de Santorini 0,006 0,018 0,071 0,285

20% Terra de Santorini 0,007 0,010 0,048 0,050

30% Terra de Santorini 0,006 0,008 0,027 0,050

Fonte: MEHTA, 1981 apud MEHTA, 1987.

54

Tabela 3.4 - Perda de resistência à compressão (solução 4% Na

2

SO

4

)

AMOSTRA

RESISTÊNCIA

ANTES DA

IMERSÃO (MPa)

RESISTÊNCIA

APÓS 28 DIAS DE

IMERSÃO

PERDA DE

RESISTÊNCIA

Cimento Portland 18,0 6,1 65%

10% Terra de Santorini 18,5 9,5 49%

20% Terra de Santorini 16,1 12,9 20%

30% Terra de Santorini 15,2 12,8 16%

Fonte: MEHTA, 1981 apud MEHTA, 1987.

Ambos os resultados demonstraram a superioridade das amostras

contendo 20 e 30% de adição pozolânicas. Entretanto, assim como

ocorre nas informações sobre as reações álcali-agregado, nem todas

as pozolanas melhoram a durabilidade do concreto quanto ao ataque

de sulfatos.

Nos dias atuais, com o crescente emprego de adições pozolânicas

aos cimentos e concretos, as vantagens e desvantagens descritas

devem ser verificadas para cada caso, já que existem várias opções,

com diferenças entre si quanto à composição e aplicações, conforme

apresentado nos itens 2.1 e 2.2 do presente trabalho. Os problemas

com o aumento de consumo de água, por exemplo, pode ser

atenuado ou resolvido com a utilização de aditivos plastificantes ou

superplastificantes. Já os problemas relacionados com a retração

plástica podem ser solucionados por métodos eficazes de cura.

3.4. CARACTERÍSTICAS FÍSICO-QUÍMICAS DE ADIÇÕES DE CERÂMICA

VERMELHA MOÍDA

SANTOS (1992) considera que a atividade pozolânica é tanto maior

quanto for o teor de sílica amorfa (não cristalina) do material.

Entretanto, o autor ressalta que não há uma quantificação exata que

defina o teor de sílica para que o material seja considerado como

pozolânico.

55

A potencialidade do uso da metacaulinita e dos resíduos de produção

de tijolos cerâmicos queimados e finamente moídos, como substitutos

parciais do cimento Portland, foram estudados por FARIAS FILHO,

ROLIM e TOLEDO FILHO (2000). Nesse trabalho, os materiais foram

caracterizados física, química e mineralogicamente, além de

determinado o índice de atividade pozolânica com cimento Portland.

A tabela 3.5 e 3.6 apresentam, respectivamente, as características

físico-químicas, resistência à compressão e índice de atividade

pozolânica do tijolo moído e da metacaulinita.

Tabela 3.5 - Propriedades físico-químicas

PROPRIEDADES QUÍMICAS

E FÍSICAS

CP II F 32 METACAULINITA TIJOLO MOÍDO

SiO

2

(%)

17,32 60,02 65,98

Fe

2

O

3

(%) 1,40 1,19 6,15

Al

2

O

3

(%)

6,70 29,91 23,25

CaO

(%)

56,00 traços nulo

MgO

(%) 11,28 traços traços

NaO

2

(%) 0,06 nulo 1,35

K

2

O

(%) 0,73 traços 1,82

Perda ao Fogo (%)

5,58 8,60 0,85

Resíduo Insolúvel (%) 0,41 ---

---

% Grãos <74 µm (via seco) 96,3 100 100

% Grãos <43 µm (via úmida) 69,2 71,2

Densidade (kg/dm³) 3,10 2,69 2,69

Fonte: FARIAS FILHO, ROLIM e TOLEDO FILHO, 2000.

Tabela 3.6 - Atividade pozolânica com CP II F 32 após 28 dias de cura

Traço em Peso

Resistência à

Compressão (MPa)

Índice de Atividade

Pozolânica (%)

Referência

(CP:areia:a/c)

1,0:1,5:0,41 25,03 100

Tijolo Moído

(CP+TM:areia:a/c)

0,65+0,35:1,5:0,41 31,80 127

Metacaulinita

(CP+MC:areia:a/c)

0,65+0,35+1,5+0,41 34,85 139

Fonte: FARIAS FILHO, ROLIM e TOLEDO FILHO, 2000.

56

A tabela 3.7 apresenta o teor de hidróxido de cálcio presente na

pasta dos corpos de prova após 28 dias de cura.

Tabela 3.7 - Hidróxido de cálcio presente na pasta após 28 dias de cura

Material

Substituição do Cimento

Portland (%)

Teor de Hidróxido de

Cálcio (%)

Tijolo Moído 20 7,02

Tijolo Moído 40 4,04

Tijolo Moído 50 3,30

Metacaulinita 20 6,19

Metacaulinita 40 2,13

Metacaulinita 50 0,78

Fonte: FARIAS FILHO, ROLIM e TOLEDO FILHO, 2000.

A tabela 3.6 indicou a boa reatividade pozolânica que ambos os

materiais apresentam, com vantagem para a metacaulinita.

Tanto a metacaulinita quanto o tijolo moído, apresentaram valores

significativos de SiO

2 e

Al

2

O

3,

comprovando a potencialidade destes

materiais quanto à atividade pozolânica. A tabela 3.7 confirma esta

teoria, mostrando o decréscimo do teor de hidróxido de cálcio em

função do aumento da substituição do cimento Portland.

A tabela 3.8 apresenta a evolução da resistência à compressão axial

para argamassas, comparando um traço de referência, com traços

contendo substituição do cimento Portland por 30% de tijolo

queimado moído ou metacaulinita. É possível observar o ganho de

resistência em todas as idades, mais acentuadamente aos 28 dias,

confirmando a reatividade que estes materiais apresentam.

Tabela 3.8 - Resistência à compressão simples (MPa)

MISTURA 28 DIAS 90 DIAS 120 DIAS 200 DIAS 365 DIAS

Referência (1:1,5:0,41) 25,05 30,60 33,54 38,88 40,45

Tijolo Moído

(0,7 CP + 0,3 TM) :1,5:0,41

31,71 33,35 35,32 40,17 40,50

Metacaulinita

(0,7 CP + 0,3 MC):1,5:0,41

37,79 36,67 39,19 42,57 43,05

Fonte: FARIAS FILHO, ROLIM e TOLEDO FILHO, 2000.

57

4. CERÂMICA VERMELHA

4.1. INDÚSTRIA CERÂMICA

O setor industrial da cerâmica é bastante diversificado e pode ser

dividido nos seguintes segmentos: cerâmica vermelha, materiais de

revestimento, materiais refratários, louça sanitária, isoladores

elétricos de porcelana, louça de mesa, cerâmica artística (decorativa

e utilitária), filtros cerâmicos de água para uso doméstico, cerâmica

técnica e isolantes térmicos.

O ramo da cerâmica vermelha compreende materiais com coloração

avermelhada empregados na construção civil (tijolos, blocos, telhas,

elementos vazados, lajes, tubos cerâmicos e argilas expandidas) e

também utensílios de uso doméstico e de adorno.

Os dados do setor cerâmico brasileiro diferem entre as associações

representativas. De acordo com a ABC (Associação Brasileira de

Cerâmica), o setor é deficiente em dados estatísticos e indicadores

de desempenho, dificultando uma visão global sobre o assunto. No

caso especifico da cerâmica vermelha, os dados apresentados pela

ABC são empíricos, de acordo com valores obtidos em artigos

científicos e junto ao mercado. Este levantamento é dificultado pela

quantidade de empresas e sua distribuição, que atinge todo o

território nacional.

As tabelas 4.1 e 4.2 apresentam os dados do setor de cerâmica

vermelha no Brasil, de acordo com a ABC e ANICER.

58

Tabela 4.1 - Cerâmica vermelha no Brasil (ano 2003)

CERÂMICA VERMELHA

Número de Unidade Produtoras (empresas) 7.000

Número de Peças/Ano (bloco) 25.224.000

Número de Peças/Ano (telha) 4.644.000

Quantidade Produzida (em massa t/ano) 64.164.000

Matéria-Prima (argilas) 82.260.000

Produção Média por Empresa (peças/mês) 365.000

Faturamento (R$ bilhões) 4,2

Empregos Diretos 214.000

Fonte: ABC, 2007a.

Tabela 4.2 – Cerâmica no Brasil

N.º DE

EMPRESAS

% POR ÁREA PRODUÇÃO

(PEÇAS/MÊS)

CONSUMO DE

ARGILA

(TON/MÊS)

Blocos / tijolos 3600 63 4 bilhões 7,8 milhões

Telhas 1900 36 1,3 bilhões 2,5 milhões

Tubos 12 0,1 325,5 km

Empregos

Diretos

400.000

Fonte: ANICER, 2007.

Segundo a ABC (2007a), a indústria cerâmica tem participação no

Produto Interno Bruto (PIB) estimado em 1%, correspondendo a cerca

de 6 bilhões de dólares. Para a ANICER (Associação Nacional da

Indústria Cerâmica, 2006), a indústria cerâmica vermelha

corresponderia a 4,8% da indústria da construção civil brasileira,

com faturamento anual de 6 bilhões de reais.

Embora haja discordância entre os dados das duas associações, os

números são representativos da importância do setor cerâmico na

economia brasileira. São mais de cinco mil empresas atuando na

fabricação de cerâmica vermelha.

59

4.2 MATÉRIAS-PRIMAS DA CERÂMICA VERMELHA

As matérias-primas para produtos em grande escala (tijolos, blocos,

refratários, etc.) tem origem na natureza, recebendo pouco ou

nenhum beneficiamento prévio, diferentemente de cerâmicas para

eletrônica ou eletrotécnica. A matéria-prima básica para fabricação

de cerâmica vermelha é a argila, que corresponde à quase totalidade

de sua composição.

A palavra “argila” vem do grego árgilos, que em latim chama-se

argila (FERREIRA, 2004). O termo é utilizado para denominar e

caracterizar uma gama de materiais, dependendo da área de

atuação. Vulgarmente, é a designação de um solo de granulação fina,

textura terrosa e comportamento plástico quando umedecidos.

A argila tem propriedades estruturas de um solo coesivo. Os

argilominerais, quando na presença de água, são responsáveis pelas

propriedades frescas das argilas, tais como: plasticidade, resistência

mecânica a úmido, retração linear de secagem, compactação,

tixotropia e viscosidade de suspensões aquosas.

Na mecânica dos solos e engenharia, o termo “argila” é dado ao

material natural, classificado em ensaio de granulometria, composto

por partículas extremamente pequenas, constituído essencialmente

de argilominerais, principalmente silicatos hidratados de alumínio,

ferro e magnésio, podendo conter outros minerais que não são

argilominerais (quartzo, mica, pirita, hematita, etc.), matéria orgânica

e outras impurezas (SANTOS, 1975).

O termo folhelhos é utilizado para designar rochas laminadas,

estratificadas ou detríticas, cujos componentes possuam

granulometria de siltes ou argilas, podendo possuir a mesma

consistência que esta ou apresentar-se como um material adensado e

duro, chamado de argilito (ABNT, 1995).

60

Sua composição, embora variável, é formada basicamente por silício,

alumínio e água, com quantidades expressivas de ferro, metais

alcalinos e alcalino-terrosos. Entretanto, alguns tipos de argilas, com

as flint-clays, embora possuam boa parte destes atributos, não

apresentam plasticidade quando misturadas à água (SANTOS, 1975).

O termo não está relacionado à origem destes materiais, podendo

designar solos provenientes de intemperismo, ação hidrotermal ou

sedimentos (fluviais, marinhos, lacustres ou eólicos).

A NBR 6502 (ABNT, 1995) trata da terminologia aplicada aos

materiais da crosta terrestre, rochas e solos, para fins de engenharia

geotécnica e fundações. Algumas das definições apresentadas por

ela são descritas a seguir:

a) Argila: “solo de granulação fina constituído por partículas com

dimensões menores que 0,002 mm, apresentando coesão e

plasticidade”.

b) Fração argila: designa a parcela de um solo cujas partículas

possuem diâmetros dentro da faixa granulométrica fixada para a

argila.

c) Argilominerais: Silicatos hidráulicos de alumínio, podendo

conter quantidades variáveis de ferro, magnésio, potássio,

sódio, lítio, etc. São geralmente formados por lamelas

constituídas por estratos ou lâminas de tetraedros de SiO

4

e

octaedros de Al(OH)

6

, possuindo cristalinidade variável. Os

argilominerais se formam por alteração de minerais primários

das rochas ígneas e metamórficas, como feldspatos, piroxênios

e anfibólios, ou são constituintes de rochas sedimentares.

Possuem a propriedade de absorver às superfícies de suas

partículas quantidades variáveis de água e íons. Os principais

grupos de argilominerais são: caulinita, micas hidratadas (Ex.:

ilítas) e esmectitas.

61

d) Caulinita: silicato hidratado de alumínio pertencente ao grupo

das canditas, caracterizado por estrutura lamelar formada pelo

empilhamento regular de camadas constituídas por uma folha

tetraédrica de sílica e uma folha octaédrica de alumina.

e) Ilita: argilomineral do grupo das micas hidratadas, formado por

lamelas que são constituídas por dois estratos de tetraedros de

silício e um de octaedro de alumínio. A sua estrutura é mais

estável que a das esmectitas, impedindo a admissão de água

interlamelar. Origina-se das micas por degradação (perda de K

e ganho de H

2

O), sem modificações estruturais. Possui

capacidade de troca catiônica de média a baixa e expansão

baixa.

f) Esmectitas: formadas por lamelas constituídas por um estrato

de octaedros de alumínio entre dois estratos de tetraedros. As

esmectitas possuem a capacidade de admitir H

2

O interlamelar,

o que propicia uma elevada expansão. O principal argilomineral

deste grupo é a montmorilonita.

SANTOS (1975) acredita na tendência de que os argilominerais se

concentrem em faixas de diâmetro menores que 2 µm, defendendo

que materiais “não-argilosos” geralmente estão ausentes abaixo

deste diâmetro, sendo a melhor maneira de separação (quali-

quantitativa) entre os argilominerais dos não-argilominerais.

Segundo PINTO (2000), dois tipos de estruturas estão presentes na

composição química das argilas. Uma delas é formada por tetraedros

justapostos num plano, com átomos de silício ligados à quatro

átomos de oxigênio (SiO

2

). A outra, é formada por octaedros, onde

átomos de alumínio são circundados por oxigênio ou hidroxilas

[Al(OH)

3

].

Alguns argilominerais, como a caulinita, são formados por uma

camada tetraédrica e uma octaédrica, chamada de “estrutura de

62

camada 1:1”. Este tipo de constituição apresenta camadas

firmemente empacotadas, com ligações de hidrogênio, que impedem

a penetração de moléculas de água. A figura 4.1 apresenta a

estrutura da caulinita e serpentine. As letras “G” e “B” representam

camadas octaédricas ricas em cátions de alumínio e magnésio,

respectivamente.

Figura 4.1 – Diagrama das estruturas da caulinita (esquerda) e serpentine (direita).

Fonte: MITCHELL, 1976.

Outro tipo de arranjo é composto por a estrutura octaédrica é

encontrada entre duas estruturas tetraédricas (“estrutura de camada

2:1”). A esmectita e a ilita são exemplos deste tipo de formação.

Diferentemente do arranjo anterior, as ligações entre as camadas é

obtida através de íons O

2-

.e O

2 +

. Este tipo de ligação é mais fraca

que a anterior. As figuras 4.2 e 4.3 apresentam, respectivamente, as

estruturas da montmorilonita e saponita, e muscovita, ilita e

vermiculita. As letras “G” e “B” representam camadas octaédricas

ricas em cátions de alumínio e magnésio, respectivamente.

63

Figura 4.2 – Diagrama das estruturas da montmorilonita (esquerda) e saponita (direita).

Fonte: MITCHELL, 1976.

Figura 4.3 – Diagramas das estruturas da muscovita e ilita (esquerda), e vermiculita

(direita).

Fonte: MITCHELL, 1976.

O que diferencia os argilominerais é basicamente o tipo de estrutura

e as substituições que podem ocorrer, dentro da estrutura, do

alumínio por magnésio ou ferro, e do silício por alumínio ou ferro,

principalmente, e a conseqüente neutralização das cargas residuais

geradas pelas diferenças de cargas elétricas dos íons por alguns

cátions. É comum, por exemplo, a substituição de um átomo de silício

(Si

4 +

) por um de alumínio (Al

3+

) na estrutura tetraédrica. Já na

64

estrutura octaédrica, átomos de alumínio podem ser substituídos por

átomos de menor valência, como os do magnésio (Mg

2+

), conforme

apresentado na figura 4.3.

Quando na presença de água, as partículas minerais da argila sofrem

forças de atração e de repulsão entre elas. As forças de atração são

determinadas pelas forças de Van Der W alls e de ligações

secundárias, que atraem materiais adjacentes. As forças de repulsão

decorrem das cargas líquidas negativas das partículas, quando as

camadas duplas encontram-se em contato. A estrutura deste tipo de

solo é determinada pela combinação destas forças. A liberdade de

movimento das placas determina a capacidade de absorção de água

de certas argilas, determinando a expansão e/ou contração das

mesmas. A figura 4.4 apresenta o diagrama estrutural da haloisita

hidratada e não-hidratada.

Figura 4.4 – Diagramas das estruturas da haloisita hidratada (esquerda) e não-

hidratada (direita).

Fonte: MITCHELL, 1976.

As figuras 4.5, 4.6 e 4.7 apresentam as fotomicrografias de amostras

de caulinita, haloisita e ilita.

65

Figura 4.5 – Caulinita de origem inglesa - 17 µm.

Fonte: TOVEY, 1971 apud MITCHELL, 1976.

Figura 4.6 - Haloisita de origem americana - 2 µm.

Fonte: TOVEY, 1971 apud MITCHELL, 1976.

66

Figura 4.7 - Ilita de origem americana – 7,5 µm.

Fonte: TOVEY, 1971 apud MITCHELL, 1976.

SANTOS (1975) considera que a caracterização de argilas é um

problema complexo, face a variabilidade de suas propriedades,

necessitando o emprego de técnicas sofisticadas, como microscopia

eletrônica de transmissão e de varredura. Assim, propõe a

determinação de suas propriedades como segue:

I. Textura;

II. Composição Mineralógica;

III. Íons mutáveis;

IV. Propriedades micrométricas (Granulometria, área superficial

específica, forma dos grãos, porosidades, etc.);

V. Sistema argila + água;

VI. Propriedades tecnológicas.

67

Em alguns casos, em função da aplicação, as argilas podem receber

designações próprias, decorrentes de aplicações tecnológicas,

composição química/mineralógica ou origem geológica, como:

caulins, bentonitas, argilas refratárias, flint-clays, ball clays e terra

fuler.

As argilas mais apropriadas para utilização fabricação de cerâmica

vermelha são aquelas que contêm em sua constituição os

argilominerais ilita, de camadas mistas ilita-montmorilonita e clorita-

montmorilonita, além de caulinita, pequenos teores de montmorilonita

e compostos de ferro (ABC, 2007b).

68

5. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS E RESULTADOS

5.1 VISITA À OLARIA E AMOSTRAGEM

Foi realizada uma visita à fábrica de blocos cerâmicos no mês de

agosto de 2006. Os resíduos são provenientes de uma olaria

localizada no município de Ribeirão das Neves, situada na Região

Metropolitana da cidade de Belo Horizonte, Minas Gerais.

Durante a visita, foram observados os processos produtivos, que

serão descritos no item 5.3. Na unidade estudada, a produção de

blocos cerâmicos oscila entre 350 e 400 t/dia útil. O percentual de

perda é de aproximadamente 5% do total produzido (17,5 a 20 t/dia

útil).

Na ocasião, foram coletados separadamente os resíduos de blocos

de vedação e estruturais, que estavam empilhados juntos no pátio da

empresa, à céu aberto. Para não haver dúvidas sobre os tipos de

resíduos, optou-se pela coleta de blocos inteiros da pilha, separados

manualmente pelo tipo de seção, que são diferentes (vedação ou

estrutural). As amostras foram ensacadas, etiquetadas e

transportadas para os laboratórios da Escola de Engenharia da

UFMG.

Os resíduos são relativamente homogêneos, não sendo esperadas

alterações significativas das suas características físico-químicas ao

longo do tempo.

Não foi permitido o registro fotográfico das atividades, equipamentos,

espaços da indústria e o processo de produção das peças cerâmicas.

69

5.2. RESÍDUOS CERÂMICOS

O estudo analisa separadamente as amostras de dois tipos de

resíduo: blocos cerâmicos para alvenaria de vedação e blocos

cerâmicos para alvenaria estrutural.

Trata-se do refugo da produção de tijolos/blocos. São peças que não

apresentaram qualidade de acabamento, conformidade dimensional

ou proveniente de quebras no processo produtivo, tornando-se

inadequadas ao comércio. Estes resíduos são comumente chamados

de chamote.

A figura 5.1 apresenta o resíduo de blocos cerâmicos para alvenaria

estrutural.

Figura 5.1 – Bloco estrutural

70

5.3 PROCESSO DE PRODUÇÃO DOS BLOCOS CERÂMICOS

Na unidade fabril estudada, o processo produtivo dos blocos

cerâmicos acontece da seguinte forma:

1. Obtenção e Transporte da Matéria-Prima: As argilas que

serão utilizadas na fabricação dos blocos cerâmicos são

obtidas de jazidas localizadas nos arredores dos municípios de

Ribeirão das Neves e Vespasiano, ambos em Minas Gerais. São

adquiridos três tipos de argilas diferentes, variando-se a

plasticidade (teor de areia) entre elas.

2. Preparação da Massa: as argilas são misturadas entre si e

com outro produto, denominado fercok, que é uma espécie de

lama de alto-forno, que é adicionado no traço de 18:1 (em

volume, argilas: fercok), com intuito de acelerar a queima e

baratear o custo, com a diminuição do uso da matéria-prima

original.

De acordo com CST (2007), a lama de alto-forno é um co-

produto gerado após a etapa de lavagem do gás de alto-forno e

a separação dos particulados sólidos. Devido a seu alto teor de

carbono (cerca de 40%), ela proporciona um tempo de

campanha (cozimento) do lote de tijolo ou telha menor que o

usual, contribuindo para a economia de combustível. Esse

tempo cai de algo em torno de 80 horas de cozimento para

aproximadamente 48 horas. A presença do carbono contribui

também para a o equilíbrio térmico dos fornos, evitando o

cozimento mais rápido de parte do lote ou perda de parte que

não foi cozido adequadamente devido às diferenças de

temperatura no forno. Além disto, o teor de óxido de ferro

presente na lama produz um incremento de resistência

mecânica.

71

VIEIRA et al (2007), estudaram a incorporação de lama de alto-

forno em cerâmica vermelha e consideram que este resíduo

possui granulometria adequada para esta finalidade. Entretanto,

sugere que a adição de lama de alto forno seja inferior a 5% do

peso da massa cerâmica, de modo a evitar possíveis efeitos

deletérios às propriedades físicas e mecânicas da cerâmica,

uma vez que sua pesquisa demonstrou o aumento da absorção

de água, redução da tensão de ruptura à flexão e aumento da

retração linear da cerâmica queimada. A tabela 5.1 apresenta a

composição química da lama de alto forno estudada por esses

autores.

Tabela 5.1 - Composição química de uma lama de alto-forno

CONSTITUINTES LAMA DE ALTO FORNO (%)

SiO

2

4,94

Al

2

O

3

2,22

Fe

2

O

3

57,91

TiO

2

0,12

CaO 2,97

MgO 0,77

K

2

O 0,29

Na

2

O 1,18

ZnO 0,51

MnO

2

0,54

P

2

O

5

0,15

SO

3

1,89

Perda ao Fogo 26,22

Fonte: VIEIRA, MARTINS, MOTHÉ, SANCHÉZ e MONTEIRO, 2007.

Na unidade estudada não há um controle tecnológico da

dosagem dos materiais. A proporção entre os tipos de argila é

feita de modo empírico, de acordo com a sensibilidade do

operário, que avalia manualmente a plasticidade da massa.

Segundo a própria indústria, a mistura deve descansar, para

promover uma melhor homogeneização. O tempo ideal para o

72

descanso é de uma semana, mas dificilmente consegue-se este

tempo, sendo o mais comum o período de 72 horas, devido às

necessidades de produtividade da indústria.

3. Produção: A massa é transportada e introduzida numa linha de

produção mecânica, composta pelos seguintes equipamentos:

TRITURADOR ► LAMINADOR ► EXTRUSOR ► CORTADEIRA

A massa passa primeiro pelo triturador, que promove um melhor

destorroamento e homogeneização. Segue então para o

laminador, que tem a função de dar forma às peças.

Segundo ABC (2007b), existem diversos processos de

conformação de produtos cerâmicos, entre eles a fundição, a

prensagem, o torneamento e a extrusão, que é o modelo

adotado pela unidade estudada. A massa cerâmica deve ter

comportamento plástico para este tipo de processo.

A massa cerâmica é colocada numa extrusora (também

conhecida como maromba), onde é forçada por um pistão ou

eixo helicoidal, através de um molde, que dá forma à seção

transversal desejada. A massa extrudada sai de forma contínua

do equipamento, seguindo para a cortadeira, que promove o

corte transversal da coluna, através de um fio de aço. A altura

da peça, então, é dada pela velocidade da esteira.

O tijolo estrutural, quando produzido nas dimensões 39x14x19

(comprimento, largura e altura em centímetros) possui peso

úmido aproximado de 12kg. Após a queima, o peso ficará entre

8,0 e 8,5 kg.

O tijolo de vedação, quando produzido nas dimensões 29x9x19

(comprimento, largura e altura em centímetros) possui peso

úmido aproximado de 5,5 kg, e depois de queimado, de 3,6 a

4,0 kg.

73

4. Secagem: Após ser conformado, o bloco segue para uma

câmara de secagem, onde permanece durante 18 horas, na

temperatura entre 80 e 120 ºC. Esta etapa tem a finalidade de

retirar a água da massa de forma lenta e gradual, evitando que

as peças sofram possíveis tensões durante a queima, evitando-

se trincas e fissuras.

5. Queima: também conhecida como sinterização. O bloco segue

para uma das câmaras do forno e passa por três fases:

i. Aquecimento da temperatura ambiente até a temperatura

desejada;

ii. Tempo determinado na temperatura especificada;

iii. Resfriamento até temperaturas inferiores a 200 ºC.

O forno utilizado é do tipo Hoffmann, contínuo, com canal para

ventilação e retirada da umidade. As paredes são de tijolo

cerâmico maciço, formando câmaras semi-independentes.

As peças são arrumadas em lotes de mil unidades dentro de

cada câmara, dispostos sob aberturas existentes na estrutura

superior do forno (teto), local por onde entra o combustível. A

porta da câmara é selada com uma parede de alvenaria de

tijolos maciços.

Conforme o fogo percorre uma das câmaras, a câmara

adjacente é pré-aquecida pela transferência de calor entre elas.

O combustível utilizado nesta unidade é a lenha. O consumo do

combustível é da ordem de 1 m³/h (720 m³/mês).

A figura 5.2 mostra uma visão da parte superior do forno, onde

é possível observar as janelas superiores do forno, por onde é

inserida a lenha. A figura 5.3 mostra a visão de dentro do forno

através de uma das janelas, sendo possível observar a queima.

74

Figura 5.2 – Vista superior do forno

Figura 5.3 – Vista superior de uma janela de alimentação

75

Após ser pré-aquecida, a câmara recebe o combustível

diretamente, até atingir a temperatura desejada (entre 800 e

1000 ºC). Os blocos permanecem nesta temperatura durante uma

hora.

Na fábrica em questão, assim como acontece na fase de mistura,

não há qualquer controle tecnológico da temperatura de queima.

Os ajustes de quantidade de combustível são feitos de acordo com

a sensibilidade do funcionário responsável pela alimentação do

fogo, que avalia a temperatura por meio da observação da

coloração da chama.

Durante a queima ocorrem uma série de transformações em função

dos componentes da matéria-prima, tais como: perda de massa,

desenvolvimento de novas fases cristalinas, formação de fase

vítrea e a soldagem dos grãos.

Após a queima, o material continua dentro da câmara durante

algumas horas, resfriando lentamente.

A câmara é aberta e retiram-se as peças cerâmicas, que são

inspecionadas visualmente, separando-se aquelas que apresentam

defeitos, como quebras e trincas.

O processo todo, considerando todas as etapas de fabricação,

dura cerca de 96 horas (4 dias).

As Figuras 5.4, 5.5 e 5.6 mostram o esquema de um forno tipo

Hoffman, com alimentação à gás.

76

Figura 5.4 – Esquema de forno Hoffman – vista superior

Fonte: OSHIMOTO & THOMAZ, 1990.

Figura 5.5 – Esquema de forno Hoffman – corte AA

Fonte: OSHIMOTO & THOMAZ, 1990.

Figura 5.6 – Esquema de funcionamento de forno contínuo

Fonte: OSHIMOTO & THOMAZ, 1990.

77

5.4 MOAGEM DOS RESÍDUOS

A segunda parte da pesquisa consistiu na avaliação da

pozolanicidade do material. Para tanto, o resíduo cerâmico deve ser

moído finamente, com percentual máximo de 34% retido na peneira

#325 (45µm), segundo NBR 12653 (1992d).

1ª Ten tativa de Moagem:

A primeira tentativa de moagem foi realizada no Laboratório de

Concreto do DEMC.

Antes da moagem, os blocos foram triturados manualmente com um

martelo, sem controle da granulometria de entrada no moinho. A

figura 5.7 mostra uma das amostras antes da moagem.

Figura 5.7– Bloco cerâmico triturado manualmente

78

Utilizou-se um moinho de bolas, sempre com o torque máximo

permitido pelo equipamento. Foram efetuadas moagens com cargas

de 15 e 45 bolas de louça (1609,8 kg e 4840,1 kg, respectivamente)

para a amostra do bloco de vedação. A figura 5.8 mostra o moinho

utilizado nesta tentativa.

Figura 5.8 – Moinho utilizado na 1ª tentativa

Após 60 minutos de moagem, observou-se uma grande quantidade de

material grosseiro. Os pedaços maiores apresentavam abrasão das

arestas, ganhando formas arredondadas durante a moagem. Esta

observação indicou a falha no processo de moagem, uma vez que o

material não estava sendo triturado, mas apenas desgastado. A

figura 5.9 apresenta uma das amostras após a moagem, onde é

possível observar pedaços grandes com formatos arredondados.

79

Figura 5.9 – Amostra após a 1ª tentativa de moagem

Fez-se, então, um peneiramento grosseiro, com peneira de malha 5,5

mm, que acabou por comprovar a ineficácia do método. Para a

amostra do bloco estrutural foi realizada a moagem apenas com a

carga de 45 bolas, apenas como comparativo em relação ao bloco de

vedação. A tabela 5.2 mostra os percentuais retidos neste

peneiramento.

Tabela 5.2 - Resultado do peneiramento da 1ª tentativa de moagem (60 minutos)

AMOSTRA DE VEDAÇÃO AMOSTRA ESTRUTURAL

15 bolas 45 bolas 15 bolas 45 bolas

Peso (g) 4456,0 4456,0 - 4456,0

% retido 52,5 51,9 39,7

80

2ª Ten tativa de Moagem:

A segunda tentativa de moagem foi realizada nas dependências do

Laboratório de Tratamento de Minérios da UFMG. Desprezaram-se as

amostras que já haviam sido moídas anteriormente, para que não

houvesse influência na nova metodologia.

Para avaliar a eficiência da energética da moagem, optou-se por

fazer uma britagem prévia do material utilizando-se um britador de

mandíbulas. Os blocos foram colocados inteiros, na forma como

foram coletados, nas mandíbulas do equipamento, permitindo a

padronização do material que entraria no moinho posteriormente. As

figura 5.10 e 5.11 apresentam, respectivamente, o britador e parte do

material britado.

Figura 5.10 – Britador de mandíbulas

81

Figura 5.11 – Amostra britada

Após a britagem, as amostras foram peneiradas, fornecendo a

granulometria de entrada, conforme apresentado nas tabelas 5.3 e

5.4, respectivamente para bloco de vedação e estrutural.

Tabela 5.3 - Granulometria após britagem (bloco de vedação)

Peneira (mm) % Passante Acumulado

19 74%

12,7 56%

9,52 41%

6,8 32%

4,76 26%

2,38 16%

1,68 14%

1,2 11%

0,84 10%

Bloco de Vedação

Peso da Amostra = 6,875 kg

0 0%

82

Tabela 5.4 - Granulometria após britagem (bloco estrutural)

Peneira (mm) % Passante Acumulado

19 73%

12,7 53%

9,52 35%

6,8 26%

4,76 19%

2,38 7%

1,68 6%

1,2 2%

0,84 0%

Bloco Estrutural

Peso da Amostra = 8,640 kg

0 0%

As figuras 5.12 e 5.13 apresentam as curvas granulométricas dos

materiais, após a britagem.

Curva Granulométrica - Bloco de Vedação

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0,1 1 10 100

Diâmetro das Partículas (mm)

% Passante

Figura 5.12 - Granulometria de entrada no moinho (bloco de vedação)

83

Curva Granulométrica - Bloco Estrutural

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0,1 1 10 100

Diâmetro das Partículas (mm)

% Passante

Figura 5.13 - Granulometria de entrada no moinho (bloco estrutural)

As amostras apresentaram granulometria próxima após a britagem,

mesmo possuindo formatos construtivos diferentes.

Após a britagem, as amostras foram moídas num moinho de bolas

maior do que o utilizado na primeira tentativa, com volume

aproximado de 50 litros, utilizando-se uma carga de bolas de ferro

fundido correspondente à 30% do volume. A rotação aplicada foi de

52 RPM.

Após 30 minutos de moagem, foi retirada uma amostra do material

para avaliação. O resíduo foi peneirado a seco nas malhas #200 e

#325. Este tipo de peneiramento mostrou-se ineficaz, pois o material

aglutinava-se durante o processo, possivelmente devido à

polarização das cargas elétricas presentes nas partículas,

considerando-se o baixo peso dos grãos, que se atraem. Assim,

passou-se ao peneiramento por via úmida durante 30 minutos. O

material então foi pesado e levado à estufa durante 48h.

84

O tempo total de moagem foi de 150 minutos, com amostragens em

30, 60 e 90 minutos. A tabela 5.5 apresenta os valores obtidos pelo

peneiramento.

Tabela 5.5 - Percentual retido acumulado após 2ª tentativa de moagem

% RETIDO ACUMULADO

Vedação Estrutural

Tempo (min) #200 #325 #200 #325

30 22 34 35 46

60 16 26 17 32

90 13 21 10 23

150 3 8 5 16

Os resultados mostram que, para ambas as amostras, após 60

minutos de moagem o material retido na peneira #325 (45 µm) é

menor que 34%, conforme exigido pela NBR 12653 (ABNT, 1992d)

para classificação de materiais pozolânicos (tabela 2.2).

As amostras apresentaram colorações diferentes após a moagem. A

amostra de bloco de vedação possui uma coloração avermelhada,

enquanto a amostra de bloco estrutural possui aspecto mais

acinzentado, conforme apresentado pelas figuras 5.14 e 5.15.

85

Figura 5.14 – Amostra de vedação após a moagem

Figura 5.15 – Amostra estrutural após a moagem

86

Devido à metodologia adotada, com a análise apenas dos grãos

retidos nas peneiras #200 e #325, foram utilizadas amostras entre 50

e 100 gramas para o peneiramento à úmido. Isto ocorreu para que

não houvesse perdas significativas do material que continuaria a ser

moído, o que poderia influenciar a análise posterior da moagem.

Entretanto, a pouca quantidade amostrada e a dificuldade no

peneiramento de um material fino, geraram perdas ao longo do

ensaio, que podem ter influenciado nos resultados.

Assim, para uma conferência destes valores, optou-se pela análise

granulométrica por meio de outros métodos: Cyclosizer Warman e

granulômetro a laser, conforme apresentado nos itens 4.5.1 e 4.5.2.

5.5 CARACTERIZAÇÃO DO RESÍDUO

Para caracterização dos resíduos, além do peneiramento por via

úmida (#200 e #325), foram efetuados os seguintes ensaios:

 Granulometria por elutriação (Cyclosizer W arman);

 Granulometria a laser;

 Massa específica (picnômetro a gás);

 Área superficial específica (método de BET);

 Espectrometria de fluorescência de raios-X (FRX);

 Difração de raios-X (DRX);

 Microscopia eletrônica de varredura (MEV);

 Microanálise (EDS);

 Determinação da atividade pozolânica em cimento Portland –

índice de atividade pozolânica com cimento - NBR 5752;

 Determinação da atividade pozolânica em cimento Portland

pozolânico aos 14 dias - NBR 5753.

87

5.5.1 Granulometria por elutriação (Cyclosizer Warman)

Além do peneiramento tradicional, utilizou-se também a

granulometria por elutriação centrífuga (“Cyclosizer”). O Cyclosizer é

um equipamento comumente utilizado na indústria de mineração.

Possui maior precisão que o peneiramento tradicional para partículas

menores que 45 µ m. O equipamento separa os grãos em frações mais

ou menos homogêneas, mediante a sedimentação numa corrente

ascendente de água que passa por colunas verticais.

A corrente de fluido promove a aceleração centrífuga das partículas,

cuja velocidade permite a permanência dos grãos em suspensão e

sua subseqüente separação. São cinco colunas interligadas, que

permitem a separação de cinco diferentes frações granulométricas.

Depois de determinado tempo, as colunas são esvaziadas

separadamente em bécheres e depois filtradas. Os filtros de papel

foram levados à estufa por 48h e depois pesados.

As frações granulométricas são dadas por uma fórmula específica,

que correlaciona os dados do ensaio (vazão aplicada e temperatura)

e os valores obtidos na filtragem. O equipamento é calibrado de

acordo com valores padrão de temperatura, vazão, densidade

aparente e tempo de elutriação.

A fórmula para correção destes parâmetros é dada por

(MONTENEGRO, 2006):

Onde:

a) d

e

= Tamanho efetivo de separação;

b) d

i

= Tamanho limite de separação;

d

e

= d

i

x f

1

x f

2

x f

3

x f

4

88

c) f

1

= fator de correção para a temperatura;

d) f

2

= fator de correção para vazão;

e) f

3

= fator de correção para densidade;

f) f

4

= fator de correção para o tempo de elutriação.

O tamanho efetivo de separação (de) representa o diâmetro no qual

uma porcentagem do material fica retida, de forma análoga ao

peneiramento tradicional.

Os parâmetros medidos durante o ensaio, para ambas as amostras,

foram:

 Temperatura = 25 ºC;

 Vazão = 11,45 l/min (rotâmetro = 190mm);

 Tempo = 20 minutos.

A densidade das amostras, conforme ensaio descrito no item 4.5.4, é

de 2,81 g/cm³ e 2,82g/cm³, respectivamente para bloco de vedação e

estrutural.

A tabela 5.6 apresenta os fatores de correção utilizados para as

variáveis do ensaio. Os valores de densidades dos blocos são muito

próximos, não ocasionando diferença significativa no fator f

3

.

Tabela 5.6 - Fatores de correção

f

1

(TEMPERATURA)

f

2

(VAZÃO)

f

3

(DENSIDADE)

f

4

(TEMPO)

25 ºC 190 mm / 11,45 l/min 2,81 g/cm³ 20 min

FATOR DE

CORREÇÃO

0,94 1,008 0,955 0,955

Fonte: MONTENEGRO, 2006.

89

As tabelas 5.7 e 5.8 apresentam os resultados do ensaio,

respectivamente para as amostras dos blocos de vedação e

estrutural.

Tabela 5.7 - Granulometria por elutriação (vedação)

Tamanho Limite (µm)

Tamanho Efetivo

(µm)

% Retido

Acumulado

% Passante

Acumulado

42,7 36,9 +/- 0,5 16 84

30,5 26,4 +/- 0,5 25 75

22,1 19,1 +/- 0,5 30 70

15 13, 0 +/- 0,5 37 63

12 10,4 +/- 0,5 43 57

Tabela 5.8 - Granulometria por elutriação (estrutural).

Tamanho Limite (µm)

Tamanho Efetivo

(µm)

% Retido

Acumulado

% Passante

Acumulado

42,7 36,9 +/- 0,5 19 81

30,5 26,4 +/- 0,5 27 73

22,1 19,1 +/- 0,5 33 67

15 13,0 +/- 0,5 41 59

12 10,4 +/- 0,5 49 51

O método de elutriação centrífuga apresentou resultados

satisfatórios quanto às exigências da NBR 12653 (ABNT, 1992d).

Ambas as amostras obtiveram valores inferiores à 34% retido na

peneira #325.

5.5.2 Granulometria a Laser

Apesar do material em estudo já possuir uma caracterização

granulométrica obtida por meio de peneiramento à úmido (apenas

#200 e #325) e Cyclosizer Warman, optamos pela execução do

ensaio de granulometria a laser, com o intuito de se comprovar a

faixa de valores encontrada nos outros ensaios, já que os métodos e

90

equipamentos apresentam precisões diferenciadas, de acordo com o

tamanho e distribuição dos grãos.

O granulômetro utilizado no ensaio foi da marca Sympatec, modelo

Helos 12LA.

Após a limpeza do equipamento, foi introduzida uma solução

dispersante (hexametafosfato de sódio, em solução de 0,05%) para

facilitar a detecção e leitura pelo equipamento. O equipamento

executa uma leitura inicial da solução, que servirá como padrão de

referência.

Antes de ser colocada no granulômetro, a amostra passou pelo

equipamento de ultra-som, com o intuito de destorroar as partículas,

evitando-se possíveis fontes de erros. As concentrações do

dispersante utilizado para as amostras de vedação e estrutural foram

de 22% e 20%, respectivamente.

Cada amostra foi ensaiada utilizando-se lentes de 20 e 50 mm. Este

procedimento teve como objetivo confirmar e comparar os dados

obtidos, pois as lentes possuem precisões diferentes. A lente de

20 mm é mais precisa na faixa de 0,18 a 35,00 µm, enquanto a de

50 mm tem desempenho melhor entre 0,45 e 87,50 µm.

A tabela 5.9 e as figuras 5.16, 5.17, 5.18 e 5.18 apresentam os

resultados do ensaio.

91

Tabela 5.9 - Granulometria a laser

Bloco de Vedação Bloco Estrutural

20 mm 50 mm 20 mm 50 mm

Diâmetro

das

Partículas

(µm)

%

Passante

Acumulado

Diâmetro

das

Partículas

(µm)

%

Passante

Acumulado

Diâmetro

das

Partículas

(µm)

%

Passante

Acumulado

Diâmetro

das

Partículas

(µm)

%

Passante

Acumulado

0,18 0,00 0,45 1,99 0,18 0,00 0,45 1,47

0,22 0,00 0,55 3,40 0,22 0,00 0,55 2,58

0,26 0,00 0,65 5,05 0,26 0,00 0,65 3,93

0,30 0,07 0,75 6,90 0,30 0,06 0,75 5,44

0,36 0,38 0,90 9,90 0,36 0,31 0,90 7,93

0,44 1,09 1,10 14,12 0,44 0,94 1,10 11,46

0,52 2,12 1,30 18,40 0,52 1,86 1,30 15,07

0,62 3,76 1,55 23,61 0,62 3,35 1,55 19,47

0,74 6,14 1,85 29,39 0,74 5,52 1,85 24,38

0,86 8,83 2,15 34,52 0,86 7,99 2,15 28,74

1,00 12,17 2,50 39,72 1,00 11,06 2,50 33,17

1,20 17,00 3,00 45,95 1,20 15,51 3,00 38,51

1,50 23,93 3,75 53,45 1,50 21,87 3,75 45,03

1,80 30,20 4,50 59,41 1,80 27,58 4,50 50,31

2,10 35,66 5,25 64,13 2,10 32,52 5,25 54,61

2,50 41,76 6,25 68,90 2,50 38,04 6,25 59,10

3,00 47,92 7,50 73,30 3,00 43,72 7,50 63,47

3,60 53,87 9,00 77,42 3,60 49,34 9,00 67,80

4,20 58,74 10,50 80,91 4,20 54,01 10,50 71,53

5,00 64,04 12,50 84,85 5,00 59,15 12,50 75,75

6,00 69,23 15,00 88,65 6,00 64,33 15,00 79,92

7,20 74,02 18,00 91,81 7,20 69,31 18,00 83,54

8,60 78,33 21,50 94,04 8,60 73,98 21,50 86,29

10,20 82,25 25,50 95,55 10,20 78,35 25,50 88,46

12,20 86,29 30,50 96,91 12,20 82,87 30,50 90,97

14,60 90,42 36,50 98,47 14,60 87,46 36,50 94,26

17,40 94,54 43,50 99,88 17,40 92,09 43,50 97,82

20,60 98,02 51,50 100,00 20,60 96,29 51,50 100,00

24,60 100,00 61,50 100,00 24,60 99,36 61,50 100,00

29,40 100,00 73,50 100,00 29,40 100,00 73,50 100,00

35,00 100,00 87,50 100,00 35,00 100,00 87,50 100,00

92

Ensaio de Granulometria a Laser - Bloco de Vedação (Lente 20mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10 100

Diâmetro das Partículas (mm)

% Passante Acumulado

Figura 5.16 – Granulometria a laser - (lente = 20 mm – bloco de vedação)

Ensaio de Granulometria a Laser - Bloco de Vedação (lente 50 mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10 100

Diâmetro das Partículas (mm)

% Passante Acumulado

Figura 5.17 –Granulometria a laser - (lente = 50 mm – bloco de vedação)

93

Ensaio de Granulometria a Laser - Bloco Estrutural (Lente 20mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10 100

Diâmetro das Partículas (mm)

% Passante Acumulado

Figura 5.18 - Granulometria a laser - (lente = 20 mm – bloco de vedação)

Ensaio de Granulometria a Laser - Bloco Estrutural (Lente 50mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,1 1 10 100

Diâmetro das Partículas (mm)

% Passante Acumulado

Figura 5.19 - Granulometria a laser - (lente = 20 mm – bloco de vedação)

94

As diferenças entre as curvas granulométricas entre as amostras

foram pequenas, considerando-se o tempo e o método de moagem

aplicado. Estas diferenças podem estar ligadas à queima e forma

original de cada tipo de bloco. No entanto, a diferença entre as

lentes aplicadas mostrou-se significativa. Enquanto a lente de 20 mm

apresenta uma distribuição granulométrica abaixo de 25 µm

(aproximadamente), a lente de 50 mm mostra partículas retidas em

44 µm (aproximadamente).

Considera ções Sobre os Ensaios de Gr anu l ometria

Os métodos de ensaio de granulometria apresentaram diferenças

entre si, mas são adequados à faixa granulométrica das amostras.

Qualquer que seja o método escolhido, os resultados obtidos foram

satisfatórios, qualificando o material para o uso pozolânico - com

percentual máximo de 34% retido na peneira #325 (45 µm).

5.5.3 Densidade (Picnômetro a Gás)

Uma das técnicas mais utilizadas para determinação da densidade é

utilizar o hélio como gás de intrusão, uma vez que as pequenas

dimensões atômicas deste elemento asseguram uma penetração

entre as cavidades e poros de até um Ångström.

A determinação da densidade foi feita utilizando-se um picnômetro a

gás, marca/modelo Quanta Chrome Stereopycnometer. Os resultados

do ensaio encontram-se no anexo B.

As densidades médias obtidas são praticamente iguais entre si (2,81

e 2,82 g/cm³, respectivamente para os blocos de vedação e

estrutural). Estes valores são relativamente próximos àqueles obtidos

por FARIAS FILHO, ROLIM e TOLEDO FILHO (2000) - 2,69 g/cm³ - e

VIEIRA (2000) - 2,72 g/cm³.

95

5.5.4 Área Superficial Específica

A área superficial específica (ASE) pode ser definida como a soma

total da área superficial de um material particulado, por unidade de

massa. Pode ser obtida por duas técnicas: a indireta (empírica), em

que se usa o permeabilímetro de Blaine, e a direta (científica), por

adsorção gasosa, baseada na equação de BET – Brunauer, Emmett e

Teller (BRANDÃO, 2007).

A técnica de adsorção gasosa, utilizada neste ensaio, baseia-se no

princípio de que a quantidade de um gás ou líquido fisicamente

adsorvido sobre a superfície de uma amostra para formar uma

monocamada é uma função direta da sua área superficial. A

quantidade de gás adsorvido pode ser determinada por gravimetria,

volumetria ou por uma técnica de fluxo contínuo. Antes de qualquer

determinação de área superficial faz-se necessário a remoção de

gases ou de vapores adsorvidos na superfície do sólido durante o

seu processamento, manuseio ou armazenamento. A remoção desses

gases ou vapores tem por objetivo evitar a redução ou variação da

área superficial decorrente de uma prévia ocupação da superfície por

outras moléculas. As condições de temperatura, pressão e tempo

para a remoção de gás ou vapor adsorvido devem ser bem definidas

a fim de que a determinação da área superficial da amostra seja

reproduzida com máxima fidelidade. A medida da adsorção do gás é

realizada a baixa temperatura uma vez que a quantidade de gás

adsorvido numa dada pressão tende a baixar ou aumentar a

temperatura durante o ensaio. Os dados gerados pela determinação

são tratados de acordo com a conhecida função de Brunauer, Emmett

e Teller (BET). (SANTOS, VEIGA e PINA, 2006).

Para a realização dos ensaios, as amostram foram secas em estufa

(140 ºC), para que a umidade não influenciasse a absorção do N

2

pela superfície das partículas dos materiais.

96

O método adotado para a obtenção da área superficial específica foi

o de BET multiponto. Este ensaio consiste na injeção de dosagens de

nitrogênio, que variam de baixa a alta densidade, com o intuito de

achar vários pontos da isoterma. A quantidade de pressão de

nitrogênio inserida inicialmente é conhecida como P

0

e a relação

P/P

0

pode variar de 0,05 a 0,035, faixa onde o comportamento da

isoterma é linear. O gráfico obtido pela relação volume (V) x P/P

0

fornece o valor do coeficiente linear “C” através do prolongamento da

reta, no eixo vertical.

Os valores encontrados para a área superficial específica, segundo o

método de BET, foram 8,46 m²/g e 4,26 m²/g, respectivamente para

as amostras do bloco de vedação e estrutural.

A diferença entre os valores obtidos para cada amostra mostrou-se

grande (cerca de 100%), considerando-se a paridade encontrada nos

ensaios de granulometria e a natureza idêntica dos materiais. Além

disto, estes valores são superiores aos valores médios obtidos em

cimentos Portland, que variam entre 0,35 e 0,60 m²/g.

A ABNT, através das NBR’s 5732 (1991a), 5733 (1991b), 5735

(1991c), 5736 (1991d) e 11578 (1991e), prescreve valores mínimos

para a área superficial específica do cimento Portland comum e

composto (a partir de > 0,24 m²/g), e cimento Portland de alta

resistência inicial (> 0,30 m²/g).

Entretanto, mesmo sendo a ASE um parâmetro importante para a

avaliação da finura do material, estando ligada diretamente à

reatividade do mesmo, a ABNT não adota a ASE como exigência

física para classificação dos cimentos Portland pozolânico e de alto

forno.

Os resultados completos e gráficos (isotermas) do ensaio encontram-

se no anexo A.

97

5.5.5 Espectrometria de Fluorescência de Raios-X

A análise por fluorescência de raios X é um método quali-

quantitativo, baseado na medida das intensidades dos raios X

característicos emitidos pelos elementos que constituem a amostra

(BOUMANS & KLOCKENKÄMPER, 1989 apud NASCIMENTO FILHO,

1999). Os raios X emitidos por tubos de raios X, ou raios X ou gama

por uma fonte radioativa, excitam os elementos constituintes, os

quais, por sua vez, emitem linhas espectrais com energias

características do elemento e cujas intensidades estão relacionadas

com a concentração do elemento na amostra (NASCIMENTO FILHO,

1999).

A amostra consiste de uma pequena porção do material, com uma

fina camada de ácido bórico em sua superfície, compactados

manualmente em uma pequena forma metálica cilíndrica. O

equipamento utilizado foi o Philips PW2400 Spectrometer.

Os resultados dos ensaios de espectrometria de raios X para as

amostras do bloco de vedação e estrutural encontram-se dispostos

sequencialmente no anexo C.

Os resultados de cada amostra são parecidos entre si, o que era

esperado, posto que ambos possuem a mesma matéria-prima.

Os elementos com presença mais significativa são o silício (Si),

oxigênio (O) e alumínio (Al), corroborando com a hipótese que as

amostram possuam algum grau de pozolanicidade. Em nível baixo,

apresentam-se o ferro e magnésio (Fe e Mg, respectivamente). Além

destes, os resultados apresentam traços de zinco (Zn), níquel (Ni),

manganês (Mn), cromo (Cr), titânio (Ti), cloro (Cl), cálcio (Ca), cério

(Ce), fósforo (P), potássio (K), sódio (Na), enxofre (S) e chumbo

(Pb).

98

5.5.6 Difração de Raios-X

A difração de raios X ocorre devido ao espalhamento desses raios

pelos átomos da rede cristalina. Quando os raios X são espalhados

pelo ambiente ordenado de um cristal, ocorre a interferência entre os

raios espalhados (tanto construtiva como destrutiva), pois as

distâncias entre os centros espalhadores são da mesma ordem de

grandeza que o comprimento de onda da radiação, resultando, então,

numa figura de difração, que é captada pelo equipamento e

comparada com um banco de dados, fornecendo assim, um gráfico.

O equipamento usado foi da marca Philips, Série PW, regulado para

40KV de voltagem e 20mA de corrente (Figura 4). O step size foi de

0,060 e o ângulo de leitura variou entre 3 e 80.

Os espectros de difração de raios X são apresentados nas figuras

5.20 e 5.21, respectivamente, para as amostras de bloco de vedação

e estrutural.

99

Figura 5.20 – Espectro de difração (bloco de vedação)

Figura 5.21 – Espectro de difração (bloco estrutural)

100

Ambos os difratogramas das amostras apresentaram materiais

cristalinos em sua composição, como o quartzo e a hematita, e

pequenos halos amorfos. Os espectros também mostram a presença

de picos parcialmente identificados, provavelmente microclina e/ou

rutilo, pois possuem elementos encontrados no ensaio de

espectrometria de fluorescência de raios X (Ti, Al, K, Si e O),

conforme apresentado no item anterior. A presença de ambos os

minerais dificulta a detecção precisa, pois um interfere na medição

do outro.

5.5.7 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Microanálise (EDS)

O ensaio de microscopia eletrônica de varredura (MEV) obtém

imagens a partir da varredura da superfície de uma amostra sólida

por um padrão de rastreamento com um feixe de elétrons finamente

focalizado. O procedimento consiste no deslocamento do feixe de

elétrons sobre uma superfície em linha reta (direção x), que retornam

à posição inicial e deslocam-se para baixo (direção y), com um

incremento padrão. Esse processo é repetido até que uma área

desejada da superfície tenha sido totalmente coberta. Durante o

processo de varredura, um sinal é recebido acima da superfície

(direção z) e armazenado em um computador, no qual ele é

finalmente convertido em imagem.

Como o material não possui boa condutividade elétrica, a amostra

recebeu uma capa metálica (“metalização”), de forma a melhorar sua

condutibilidade. O material utilizado foi o ouro. Utiliza-se uma fita

adesiva de dupla face, onde um dos lados é preso a um pequeno

cilindro maciço de latão, e no outro é aderido o pó da amostra.

Posteriormente, o cilindro é introduzido no aparelho metalizador

(marca/modelo Denton Vacuum), permanecendo por cerca de 20

minutos, até obtermos uma baixa pressão. A amostra pode atingir a

pressão de até 100 mili-tor, utilizando-se uma corrente de 10 mA. A

partir daí o material foi exposto a uma nuvem de vapor de ouro

101

durante 30 minutos, promovendo a aderência do metal à superfície

da amostra. As figuras 5.22 e 5.23 apresentam, respectivamente, o

equipamento para a metalização e a amostra já metalizada.

Figura 5.22 – Metalizador

Figura 5.23 – Porta amostra do metalizador

Embora o tempo de exposição seja importante, a qualidade e a

espessura da metalização dependem também de outros fatores.

Desta forma, para uma quantificação química mais precisa, devemos

O peq u eno qu a dr ad o no

cen t r o é a cam ada d a

amo st r a já r ecob ert a

pel a p el í c ul a de our o.

102

analisar e retirar as possíveis interferências do ouro na composição

geral obtida.

O equipamento usado para a microscopia eletrônica foi da marca Jeol

JSM-5410, que continha um EDS da marca NORAN acoplado a ele,

conforme apresentado na figura 5.24.

Figura 5.24 – MEV e EDS

Durante a microanálise (EDS), podem ser utilizados dois tipos de

elétrons: os secundários, que possuem melhor resolução e são

indicados para mostrar a topografia (relevo) da amostra, e os

elétrons retroespalhados, que fornecem imagens com melhor

contraste.

A primeira amostra analisada foi a de bloco de vedação, seguida pela

amostra de bloco estrutural. Para a imagem de partículas bem

pequenas, próximas a 3 µm, foi retirado o tubo de elétrons

retroespalhados e diminuiu-se a tensão, a fim de se obter uma

melhor imagem.

103

Análise da Amo st ra de Bloco Cer âmi co de Vedação

As figuras 5.25, 5.26 e 5.27 apresentam as imagens da amostra do

bloco de vedação a partir de elétrons retroespalhados.

Figura 5.25 – Amostra de bloco de vedação (75 X)

104

Figura 5.26 – Amostra de bloco de vedação (1500 X)

Figura 5.27 – Amostra de bloco de vedação (1500 X)

A tabela 5.10 apresenta um resumo da análise química geral para a

área obtida com o EDS, com base na figura 5.25. A análise completa

encontra-se no anexo D.

Ponto 1

Ponto 2

Ponto 1

105

Tabela 5.10 – Análise química geral (bloco de vedação)

ÓXIDOS % EM PESO

SiO

2

51,40

Al

2

O

3

26,94

Fe

2

O

3

13,98

K

2

O 2,73

ZnO 2,21

TiO

2

1,28

CaO 0,57

MgO 0,55

Na

2

O 0,34

Apesar de a análise ser obtida por meio de uma área muito pequena

do material, os resultados mostram coerência com os elementos

obtidos no ensaio de FRX. Há uma predominância dos óxidos de

silício, alumínio e ferro, com quantidades menores dos óxidos de

magnésio, potássio, titânio, sódio, cálcio e zinco. A soma dos

percentuais de SiO

2

, Al

2

O

3

e Fe

2

O

3

é de 92,32%, acima do valor

mínimo exigido pela NBR 12653 (1992d), que é de 70%.

A tabela 5.11 apresenta um resumo da análise química obtida nos

pontos demarcados nas figuras 5.26 e 5.27.

Tabela 5.11 – Análise química pontual (bloco de vedação)

FIGURA 5.26

(% EM PESO)

FIGURA 5.27

(% EM PESO)

ELEMENTO PONTO 1 PONTO 2

PONTO 1 PONTO 2

SiO

2

2,26 92,83 97,68 33,31

Al

2

O

3

1,53 5,56 1,33 11,78

Fe

2

O

3

96,21 1,61 0,69 54,90

Na figura 5.26, a análise do ponto 1 apresenta uma grande

quantidade de Fe

2

O

3

. Já o ponto 2 apresenta o que pode ser um grão

de quartzo.

106

Na figura 5.27, a análise do ponto 1 também é rica em SiO

2

, no que

provavelmente é uma partícula de quartzo. Já no ponto 2, a análise

mostra a predominância de ferro, em menor proporção que na figura

5.26, sobre outras quantidades menores de silício e alumínio.

As figuras 5.28 e 5.29 apresentam as imagens da amostra do bloco

de vedação utilizando eletros secundários, com aumentos de 5.000 e

7.500 vezes. Estas imagens apresentam uma quantidade enorme de

partículas finas, com diâmetros de aproximadamente 1 µm, com

morfologia irregular, que podem estar relacionados não só com a

mineralogia, mas também com a moagem do material. Estas

características podem ter influenciado nos valores obtidos no ensaio

para a obtenção da área superficial específica (método de BET).

Figura 5.28 – Bloco de vedação (5000 X)

107

Figura 5.29 – Bloco de vedação (7500 X)

108

Análise da Amo st ra de Bloco Cer âmi co Estrut ural

As figuras 5.30, 5.31 e 5.32 apresentam as imagens da amostra do

bloco estrutural a partir de elétrons retroespalhados.

Figura 5.30 – Bloco estrutural (75 X)

Figura 5.31 – Bloco estrutural (1000 X)

Ponto 2

Ponto 1

109

Figura 5.32 – Bloco estrutural (1000 X)

A tabela 5.12 apresenta um resumo da análise química geral para a

área obtida com o EDS, com base na figura 5.30. A análise completa

encontra-se no anexo D.

Tabela 5.12 – Análise química geral (bloco estrutural)

ÓXIDOS % EM PESO

SiO

2

55,10

Al

2

O

3

23,09

Fe

2

O

3

16,67

K

2

O 2,61

TiO

2

1,17

CaO 0,64

Na

2

O 0,47

MgO 0,25

Assim como ocorreu com a amostra do bloco de vedação, apesar de

a análise ser obtida por meio de uma área muito pequena do

material, os resultados mostram coerência com os elementos obtidos

no ensaio de FRX. Há uma predominância dos óxidos de silício,

alumínio e ferro, com quantidades menores dos óxidos de potássio,

Ponto 1

Ponto 3

Ponto 2

110

titânio, cálcio, sódio e magnésio. A soma dos percentuais de SiO

2

,

Al

2

O

3

e Fe

2

O

3

representam 94,86% da amostra, acima do valor mínimo

exigido pela NBR 12653 (1992d), que é de 70%.

A tabela 5.13 apresenta um resumo da análise química dos pontos

demarcados nas figuras 5.31 e 5.32.

Tabela 5.13 – Análise química pontual (bloco estrutural)

FIGURA 5.31

(% EM PESO)

FIGURA 5.32

(% EM PESO)

ELEMENTO

PONTO 1 PONTO 2

PONTO 3

C 100 --- --- --- 100

SiO

2

--- 1,26 99,45 2,83 ---

Al

2

O

3

--- 0,64 0,55 2,07 ---

Fe

2

O

3

--- 96,69 --- 46,48 ---

MnO --- 1,41 --- 3,14 ---

TiO

2

--- --- 45,47 ---

A análise química geral é muito parecida com a da amostra de bloco

de vedação, como era esperado, corroborando mais uma vez com o

ensaio de fluorescência de raios X.

A análise do ponto 1 da figura 5.31 e do ponto 3 da figura 5.32

apresenta 100% de carbono. Isto é explicado pela presença de

cinzas de madeiras utilizadas no forno de queima da cerâmica e pela

incorporação de lama de alto-forno durante a fabricação das peças.

No ponto 2 da figura 5.31, existe a predominância de óxidos de ferro

sobre outros óxidos. A presença destes elementos provavelmente

está ligada ao tipo de argila e ao fercok misturado à massa durante a

fabricação.

Na figura 5.32, observa-se no ponto 2 a predominância de óxidos de

ferro e titânio. No ponto 1 da figura 5.32 há a predominância de

sílica, no que provavelmente é um grão de areia (quartzo).

111

As figuras 5.33 e 5.34 apresentam as imagens da amostra do bloco

estrutural utilizando-se elétrons secundários, com aumentos de 5.000

e 7.500 vezes. Estas imagens apresentam uma quantidade enorme

de partículas finas, com diâmetros de inferiores a 5 µm. Estas

imagens são muito próximas àquelas obtidas com as amostras de

bloco de vedação. Apresentam uma quantidade enorme de partículas

finas, com diâmetros de aproximadamente 1 µm, com morfologia

irregular, que podem estar relacionados não só com a mineralogia,

mas também com a moagem do material. Estas características podem

ter influenciado nos valores obtidos no ensaio para a obtenção da

área superficial específica (método de BET).

Figura 5.33 – Bloco estrutural (5000 X)

112

Figura 5.34 – Bloco estrutural (7500 X)

5.5.8 Índice de Atividade Pozolânica com Cimento Portland

De acordo com a NBR 12653 (ABNT, 1992d), o índice de atividade

pozolânica (IAP) com o cimento Portland é uma das exigências

físicas para a classificação de um material como sendo pozolânico.

A metodologia para a determinação do IAP com cimento Portland é

dada pela NBR 5752 (ABNT, 1992b). O método tem como objetivo

comparar a resistência de duas argamassas com dosagem e

consistência padronizadas. A argamassa de controle, chamada de

“A”, é preparada com areia normal, de acordo com a NBR 7214

(ABNT, 1982), usando-se como aglomerante apenas o cimento

Portland, no traço de 1:3 (em massa). Para o preparo da segunda

argamassa (argamassa “B”), o volume absoluto do cimento Portland

deve ser substituído em 35% pelo material pozolânico.

113

A quantidade de água necessária para cada argamassa é dada pelo

índice de consistência, que deve ser de (225 ± 5) mm, determinado

de acordo com a NBR 7215 (ABNT, 1996).

De acordo com a norma, é recomendada a moldagem de três corpos-

de-prova cilíndricos de 50 x 100 mm, que seguem para cura em

câmara úmida durante (24 ± 2) horas, à temperatura de (23 ± 2) ºC.

Após este prazo, são retirados das formas e transferidos para

recipientes hermeticamente fechados, sendo submetidos à cura

durante mais 27 dias, com temperatura de (38 ± 2) ºC.

A determinação da resistência à compressão dos corpos-de-prova e

seus resultados seguem as recomendações da NBR 7215 (ABNT,

1996).

O tipo de cimento Portland utilizado no preparo das argamassas foi o

CP V - ARI, que, segundo a NBR 5733 – Cimento Portland de Alta

Resistência Inicial (ABNT, 1991b), deve possuir de 95 a 100% de

clínquer e sulfatos de cálcio (componentes em massa), sendo

permitido até 5% de adição de material carbonático (mínimo de 85%

de CaCO

3

). Algumas das características do cimento utilizado são

apresentadas na tabela 5.14.

Tabela 5.14 – Cimento Portland CP V – ARI

Resíduo na peneira 75 µm (%) 0,2

Resíduo na peneira 45 µm (%) 3

Área Específica (cm²/g) 4671

Finura

Blaine (cm²/g) 4500

Tempo de início de pega (h) 02:07

Expansibilidade a quente (mm) <2

1 dia 26

3 dias 41

7 dias 46

Resistência à Compressão (MPa)

28 dias 54,2

114

A moldagem dos corpos-de-prova e realização do ensaio de índice de

consistência foram realizados no Laboratório de Concreto do DEMC

(Departamento de Engenharia de Materiais e Construção).

O índice de atividade pozolânica é obtido por:

Onde:

• f

c B

= resistência média, aos 28 dias, dos corpos-de-prova

moldados com cimento e material pozolânico (argamassa B);

• f

c A

= resistência média, aos 28 dias, dos corpos-de-prova

moldados só com cimento (argamassa A).

A água requerida é dada por:

Onde:

• A e B = quantidades de água necessárias para a obtenção de

índices de consistência normais de (225 ± 5) mm para as

argamassas A e B, respectivamente.

Os valores obtidos para o índice de consistência estão representados

na tabela 5.15.

Tabela 5.15 – Índice de consistência

AMOSTRA

RELAÇÃO

ÁGUA/AGLOMERANTE

ÍNDICE DE CONSISTÊNCIA

(mm)

Referência 0,52 230

Bloco de Vedação 0,54 230

Bloco Estrutural 0,54 230

(B/A) x 100 (%)

(f

cB

/f

cA

) x 100 (%)

115

O ensaio de resistência à compressão foi realizado do Laboratório de

Materiais Metálicos do DEMC. A tabela 5.16 apresenta o resultado

dos ensaios.

Tabela 5.16 – Índice de pozolanicidade

AMOSTRA

ÁGUA REQUERIDA

(%)

RESISTÊNCIA À

COMPRESSÃO

(MPa)

IAP (%)

Referência --- 49,7 ---

Bloco de Vedação 100,2 39,1 78,7

Bloco Estrutural 100,3 39,5 79,5

O valor do IAP das duas amostras é superior ao determinado pela

NBR 12653 (1992d), que é de 75%, assim como os valores de água

requerida, que estão abaixo de 110%.

5.5.9 Índice de Atividade Pozolânica em Cimento Portland Pozolânico

A NBR 5753 (ABNT, 1992c) visa à obtenção do índice de atividade

pozolânica em cimentos Portland pozolânicos, por meio de um

método químico, que busca determinar o consumo de hidróxido de

cálcio da amostra.

A pozolanicidade é obtida pela comparação da quantidade de

Ca(OH)

2

presente na fase líquida em contato com o cimento

hidratado e a quantidade de Ca(OH)

2

que poderia saturar um meio da

mesma alcalinidade.

O ensaio foi realizado nos Laboratórios de Química da ABCP. O

resultado é expresso por uma isoterma de solubilidade do Ca(OH)

2

, à

temperatura de 40 ºC, na presença de uma solução alcalina.

As amostras enviadas para ensaio foram compostas por 65% de

cimento Portland CP V - ARI e 35% de material pozolânico,

misturados. O percentual da pozolana (35%) foi escolhido de acordo

com o valor prescrito pela NBR 5752 (ABNT, 1992b), possibilitando a

116

comparação dos resultados entre este método e o anterior (item

4.5.9).

As figuras 35 e 36 apresentam os resultados dos ensaios.

Figura 5.35 – Amostra de bloco de vedação

117

Figura 5.36 - Amostra de bloco estrutural

Ambas as amostras foram consideradas como cimento Portland

pozolânico, corroborando com os resultados obtidos nos ensaios do

item 4.5.9.

118

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Poucos trabalhos na área fazem referências ao beneficiamento

(moagem) do material estudado, apresentando somente resultados de

caracterização e aplicação.

Os três métodos utilizados para a caracterização granulométrica

(peneiramento à úmido, Cyclosizer Warman e granulômetro a laser)

possuem acuidades diferenciadas, não havendo uma comparação

direta entre eles. Contudo, embora diferentes entre si, todos os

resultados mostraram-se adequados aos exigidos pela ABNT para

caracterização granulométrica do material pozolânico (% retido na

peneira 45 µm < 34%).

Métodos para caracterização granulométrica como o peneiramento à

úmido e o Cyclosizer Warman permitem a inspeção visual e análise

dos grãos retidos por faixa, fato que não ocorre no granulômetro a

laser.

A amostra de bloco de vedação apresentou uma área superficial

específica cerca de 100% maior que o resultado da amostra do bloco

estrutural (8,46 m²/g contra 4,26 m²/g). Em ambos os casos, são

valores superiores aos do cimento Portland, que normalmente variam

entre 0,35 e 0,60 m²/g, mas abaixo dos valores médios obtidos com o

metacaulim (cerca de 20 m²/g).

A análise química obtida pelo EDS mostrou a predominância de SiO

2

,

Al

2

O

3

e Fe

2

O

3

. O somatório destas frações foi de 94,86% e 92,32%,

para as amostras de bloco de vedação e estrutural, sendo superiores

às exigências químicas para a classificação de uma amostra como

sendo pozolânica, que, segundo a NBR 12653 (1992d), é de 75%.

Os resultados dos índices de atividade pozolânica com cimento

Portland atingiram 78,7 e 79,5%, respectivamente para as amostras

de bloco de vedação e estrutural. Estes valores são superiores ao

exigido pela NBR 5752 (ABNT, 1992b), que é de 75%.

119

No ensaio para determinação do IAP em cimento Portland pozolânico,

embora as amostras tenham sido preparadas com o teor máximo

permitido (35% de adições pozolânicas), os resultados foram

satisfatórios, classificando ambas as amostras como pozolânicas.

Os ensaios de caracterização das amostras demonstraram o

potencial de ambos os materiais na utilização como adições

pozolânicas em cimento Portland, argamassas e concretos.

Além de possíveis ganhos econômicos e ambientais, a utilização de

adições pozolânicas está relacionada à durabilidade das estruturas,

uma vez que as pozolanas consomem o Ca(OH)

2

e formam

compostos do tipo do C-S-H, só que menos alcalinos, que auxiliam

na diminuição da permeabilidade do material por meio do

preenchimento de espaços capilares.

A quantidade de resíduos gerados pela indústria cerâmica estudada é

relevante, chegando a 20 toneladas por dia.

O processo de fabricação de blocos de cerâmica vermelha não possui

controle tecnológico rigoroso, contribuindo para o elevado índice de

perdas. As indústrias deveriam investir na tecnologia de produção,

principalmente na queima mais eficiente dos artefatos, economizando

matéria-prima, combustível e energia, com conseqüente redução dos

resíduos gerados.

A diminuição nas perdas teria efeitos benéficos maiores que a

reciclagem do resíduo. Entretanto, a possibilidade do aproveitamento

deste resíduo como adição pozolânica, transformando-o num produto,

cria novas alternativas para a gestão ambiental das industriais

cerâmicas, dando uma destinação mais nobre e adequada que a sua

simples deposição em aterros sanitários.

As conclusões apresentadas referem-se apenas aos resultados

obtidos, para os materiais específicos analisados neste trabalho,

paras as condições de ensaios adotadas, e para as técnicas de

execução utilizadas. Sua representatividade deve ser confirmada por

120

meio de novas pesquisas, que apresentem resultados que possam

complementá-la e confirmá-la.

121

7. SUGESTÕES PARA FUTUROS TRABALHOS

Para a caracterização completa dos resíduos estudados, visando sua

utilização como adição pozolânica ao cimento Portland, argamassas

e concretos, propõe-se a complementação da pesquisa com as

seguintes sugestões:

Para os ensaios de caracterização, utilização de amostras do

material com granulometria inferior a 45 µm (100% passante na

peneira #325), visando determinar a influência da granulometria da

reatividade do material;

Avaliação da influência dos teores de material pozolânico em

substituição ao cimento Portland, variando-se os percentuais de

substituição;

Análises termogravimétricas, com vistas ao possível beneficiamento

térmico dos resíduos, visando à melhoria da atividade pozolânica dos

mesmos;

Estudo sobre a durabilidade de artefatos confeccionados com estes

materiais pozolânicos, contemplando pesquisas sobre as reações

álcali-agregado, expansão e retração.

Avaliação dos processos produtivos envolvidos na confecção de

produtos de cerâmica vermelha, visando a redução dos resíduos

gerados;

Estudos sobre o balanço energético das atividades de beneficiamento

(moagem, tratamento térmico, etc.) e a viabilidade econômica na

utilização destes materiais em escala industrial.

122

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133

ANEXOS

134

Anexo A – Resultado dos Ensaios de Área Superficial Específica

Amostra 01 – Bloco de Vedação

135

136

137

.

138

139

Amostra 02 – Bloco Estrutural

140

141

142

143

144

Anexo B – Resultado dos Ensaios de Densidade

145

146

Anexo C – Resultado dos Ensaios de FRX

147

148

149

150

151

Anexo D – Análises Químicas (EDS)

Amostra do Bloco de Vedação

152

Amostra do Bloco de Estrutural

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