Estudo do mecanismo de hidratação de argamassas fabricadas com Resíduo Sólido Industrial



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Anais do 47º
Congresso Brasileiro de Cerâmica

Proceedings of the 47th Annual Meeting of the Brazilian Ceramic Society

15-18/junho/2003 – João Pessoa - PB - Brasil



Estudo do mecanismo de hidratação de argamassas fabricadas com Resíduo Sólido Industrial

Sidnei Lourenci ; Enori Gemelli; Marilena V. Folgueras; Eduardo T. Kayama

Campus Universitário Prof. Avelino Marcante S/N - Bairro Bom Retiro.

Fone: (0xx47) 431-7200 Fax (0xx47) 431-7240.

89223 - 100 - CX. Postal 631 – Joinville – SC.

Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC.

Departamento de Engª Mecânica – DEM.

RESUMO


Este trabalho consiste no desenvolvimento de uma argamassa de baixa densidade para ser usada como revestimento de chapas metálicas a fim de reduzir custos e o impacto ambiental utilizando resíduos sólidos industriais. Foram fabricadas amostras de argamassa utilizando pó de poliuretano e resíduo de lôdo têxtil em substituição à areia, através dos processos de cura ao ar (novo processo) e estufa (processo utilizado atualmente pela indústria). Também foram incorporadas fibras de polipropileno com o objetivo de aumentar a resistência mecânica. A matéria prima foi caracterizada e os corpos de prova fabricados foram caracterizados após cura de 7, 14 e 28 dias através de ensaios mecânicos e microscopia eletrônica de varredura. O estudo realizado sobre o mecanismo de hidratação das argamassas fabricadas permitiu conhecer melhor a evolução das propriedades mecânicas dos materiais.
Palavras-chave: argamassa; resíduo sólido industrial; polipropileno; poliuretano; lôdo têxtil.
INTRODUÇÃO
O crescente desenvolvimento industrial tem acarretado em aumento considerável na produção de resíduos sólidos. A maior preocupação atual é que o meio ambiente é incapaz de absorver o volume crescente de resíduos gerados. Empresas em parcerias com Universidades pesquisam a reciclagem ou o aproveitamento destes materiais como matérias primas para a elaboração de novos materiais visando sempre baixo custo e eficiência, sendo que muitos estudos hoje são feitos em todo mundo com o objetivo da utilização destes resíduos em argamassas nas mais diversas aplicações.

As argamassas convencionais são fabricadas basicamente pela mistura de três componentes: aglomerante, agregado miúdo e água(1). São estes componentes que determinam as suas propriedades.

O aglomerante mais utilizado na fabricação de argamassas é o cimento. O cimento é obtido a partir do clinker e tem como principais produtos de hidratação silicatos e aluminatos de cálcio (2) e é um aglomerante hidráulico, ou seja, forma produtos de hidratação que resistem à água após o endurecimento sem a necessidade de adição de materiais pozolânicos (por exemplo a sílica reativa), o que não ocorre com a cal e o gêsso considerados como aglomerantes não hidráulicos (2) .

As propriedades do cimento estão relacionadas com o teor de compostos formados. A importância de se conhecer como ocorre a hidratacão dos principais compostos é essencial, visto que o enrijecimento (perda de consistência) e a pega (solidificação) são amplamente determinados por reações envolvendo os aluminatos. Os silicatos constituem 75% do cimento, os quais tem papel fundamental no endurecimento (taxa de desenvolvimento de resistência)(2).

O agregados são materiais granulares, sem forma e volume definidos, geralmente inertes, de dimensões e propriedades adequadas para uso em obras de engenharia(3). São classificados em sua granulometria em miúdos e graúdos. Na argamassa usa-se agregados miúdos. Muitas vezes é tratado apenas como material de enchimento, visto que o seu custo é baixo. A granulometria da areia ou agregado tem grande influência nas propriedades das argamassas(4).

A água utilizada na argamassa não pode conter matéria orgânica e colóides em suspensão, nem tampouco salinidade acima dos tolerados pelos índices de potabilidade (5).

Além destes materiais, pode-se utilizar componentes adicionais na argamassa. Componentes adicionais em forma de fibras, pós ou agregados que podem funcionar como materiais inertes ou não. As fibras (vegetais ou poliméricas) com a finalidade de reforço de matrizes começaram a ser estudadas em 1970. Agopyan em 1991 classificou a fibra de polipropileno entre as mais adequadas em seu estudo feito sobre fibras potencialmente úteis para a construção. O mesmo pesquisador relacionou 19 tipos de fibras que foram empregadas como reforço em matrizes cimentícias com o objetivo de aumentar a resistência mecânica da argamassa(6). A eficiência de se utilizar fibras como reforços depende, além das propriedades do compósito, do teor de fibras, do seu módulo de elasticidade, do comprimento e da aderência matriz-fibra(7). Em geral, a adição de polímeros, bem como o poliuretano, em argamassa vem sendo uma tecnologia largamente usada pelas empresas atuantes no mercado.

De acordo com a Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental(CETESB) (8), a geração do resíduo (lodo) da indústria têxtil, ocorre após o processamento das fibras. A transformação da fibra crua em tecido não acabado ou em fios, é uma operação a seco, com exceção da fase de lavagem da lã crua. As demais operações de acabamento constituem a parte mais importante da indústria, sob o ponto de vista de geração de despejos líquidos, as quais após tratamento, resultam em água tratada e efluente têxtil, sendo este o material chamado de resíduo têxtil.

Este trabalho tem como objetivo apresentar resultados do estudo da hidratação de argamassas com adição de resíduo têxtil e matérias primas poliméricas (fibras de polipropileno e pó de poliuretano) para aplicação em chapas metálicas. A adição de resíduo têxtil juntamente com pó de poliuretano em substituição em volume à areia visa a diminuição da densidade do produto final. A utilização de fibras de polipropileno visa aumentar as propriedades mecânicas do material. A argamassa foi estudada em idades de cura de 7, 14 e 28 dias.
MATERIAIS E MÉTODOS
Materiais

Foram utilizados os seguintes materiais:

Cimento – o cimento Portland CPV-ARI-RS utilizado, de densidade 3,12 g/cm³, apresenta heterogeneidade na forma e tamanho das partículas e a presença de pozolanas. A composição química típica do cimento Portland CPV ARI – RS é mostrada na tabela I.

Tabela I – Composição química típica do cimento Portland CPV ARI – RS [Fonte: Cimento Rio Branco S/A).


Componente
Massa (%)

Trióxido de enxofre – SO3

3,64

Óxido de magnésio – MgO

5,33

Óxido de alumínio – Al2O3

7,66

Óxido de silício – SiO2

23,77

Óxido de ferro – Fe2O3

3,16
Óxido de cálcio – CaO

51,08

Na2O

0,17

K2O

1,28

CO2

2,28

Resíduo insolúvel

13,44

Perda ao fogo

3,28

Areia – A areia, de densidade 1,6 g/cm3, é de origem de depósitos sedimentares, que se formam nos leitos dos rios. Esta areia tem módulo de finura de 1,26 podendo ser classificada como uma areia muito fina. O diâmetro máximo das partículas é de 1,2 mm. A massa específica pelo método Chapman (NBR 9776) é de 2,597g/cm3 e a massa unitária da areia no estado solto seco (NBR 7251) é de 1,324 g/cm3 . O teor de umidade Chapman (NBR 9775) é de 6,735% enquanto que o teor de umidade em estufa (empírico) revelou uma umidade de 8,906%. Para a areia analisada o teor de argila em torrões (NBR 7218) é de 0,043% e o teor de materiais pulverulentos (NBR 7219) é de 1,93%. O ensaio de impurezas orgânicas húmicas (NBR 7220) revelou um índice de coloração de impureza orgânica superior a 300 partes por milhão (ppm).

Lôdo Têxtil – O lodo têxtil, cedido pela COMPANHIA FABRIL LEPPER, localizada em Joinville/SC passa por um filtro prensa e em seguida por um secador rotativo onde os gases de secagem atingem 220ºC. Este material apresenta-se sob forma de aglomerados de cor cinza escuro e a densidade, determinada pelo método da compactação, é de 0,6 g/cm3.

Poliuretano - A matéria prima alternativa de poliuretano (PU), de densidade 0,043 g/cm3, foi doado pela empresa MULTIBRÁS, localizada em Joinville – SC. O poliuretano foi coletado em sacos plásticos diretamente das sobras do processo de fabricação de refrigeradores. Os sacos devidamente fechados foram armazenados em local coberto à temperatura ambiente. Para preparação da argamassa definiu-se como malha granulométrica do PU ABNT 6, abertura da malha 3,36 mm.

Polipropileno - A fibra de polipropileno utilizada neste estudo é proveniente da indústria ORPED, Joinville/SC. O objetivo de sua aplicação foi melhorar as características de propriedades mecânicas do material.

Estiropor - Proveniente da empresa Franke Douat e de densidade 0,00799 g/cm3.

Água - A água utilizada na produção da argamassa para os corpos-de-prova foi proveniente da rede de abastecimento local.

Métodos Experimentais

Foram estudados três traços, em peso, de argamassas produzidas em argamassadeiras, para aplicação em chapas metálicas. Um dos traços corresponde à argamassa denominada Padrão, 1:3 de cimento e areia respectivamente, com índice de consistência Flow-Table de 220 mm e fator a/c (água/cimento) de 0,75; o segundo traço corresponde a argamassa atualmente utilizada pela empresa no seu processo produtivo, 1:3,06 de cimento e areia, 7,17g de estiropor para cada 1kg de cimento e 8,96g de fibra de polipropileno para cada 1kg de cimento, com índice de consistência Flow-Table de 215 mm e fator a/c (água/cimento) de 0,817; o terceiro traço estudado corresponde a argamassa alternativa com substituição da areia por 30% de resíduo têxtil e 70% de pó de poliuretano, 1:0,43: 0,072 que correspondem a cimento, resíduo têxtil e pó de poliuretano respectivamente, 4,15g de fibra de polipropileno para cada 1kg de cimento, com índice de consistência Flow-Table de 215 mm e fato a/c (água/cimento) de 0,8625. Dois processos de cura foram realizados: cura ao ar e cura em estufa (50C/10h).

Para cada argamassa preparada, foram moldados 8 corpos-de-prova retangulares, de dimensões 150x100x30 mm. Os moldes foram devidamente preparados conforme a especificações da NBR 5738. Cada corpo-de-prova foi moldado em 2 camadas de argamassa, sendo que a mesma não foi adensada, para seguir os padrões da argamassa preparada na indústria. No processo de cura ao ar, os corpos de prova foram desmoldados após 24 horas e mantidos à temperatura ambiente abrigo de intempéries por 7, 14 e 28 dias e em seguida testados por flexão em 3 pontos e analisados por microscopia eletrônica de varredura e difração de raios-x. No processo de cura em estufa, a única diferença em relação ao processo anterior é que os corpos de prova fabricados são levados à estufa na temperatura de 50C por um período de 10 horas, depois resfriados à temperatura ambiente, desmoldados e mantidos nas mesmas condições dos corpos de prova curados totalmente ao ar.
RESULTADOS E DISCUSSÕES

A figura 1 apresenta os valores médios de resistência à flexão obtidos com os diferentes traços e tempos de cura de 7, 14 e 28 dias.

Figura 1 – Variação da Resistência à Flexão (MPa) para os diferentes traços de argamassa em seus respectivos processos de cura, nas idades de 7, 14 e 28 dias.


De acordo com a figura 1, verifica-se um aumento das propriedades mecânicas das argamassas com o tempo de cura, exceto para a argamassa com resíduo têxtil, curada ao ar. Em termos de valores de resistência mecânica adquiridas aos 7 dias, no processo de cura ao ar, a argamassa padrão com 3,69 MPa é melhor que as demais, com 2,84 MPa para a argamassa Douat e 1,79 MPa para a argamassa com resíduo têxtil. Aos 14 dias, a argamassa padrão com 4,17 MPa supera as argamassas Douat com 2,48 MPa e a argamassa com resíduo têxtil (1,51 MPa). Aos 28 dias, temos a argamassa padrão com uma resistência à flexão de 4,63 MPa, enquanto que a argamassa Douat tem 3,39 MPa e a argamassa com resíduo têxtil tem 1,30 MPa. Com isso percebe-se que um efeito imediato, decorrente da adição de resíduo nas argamassas, é o decréscimo de suas propriedades mecânicas. Para o processo em estufa, observa-se que os valores de resistência são menores aos 7 e 14 dias, enquanto que aos 28 dias, obtém-se um valor um pouco acima do obtido para o processo de cura ao ar. O importante é que os valores de resistência de ambas as argamassas ficam acima do exigido pela empresa (1MPa).

A diferença entre a argamassa padrão e a argamassa Douat, em termos de constituintes, é que na argamassa Douat existe a presença de isopor e fibra (materiais inertes) além da matriz de cimento e areia. Observa-se uma evolução crescente das propriedades mecânicas dessas argamassas como decorrência do processo de pega convencional do cimento, visto que a matriz (cimento/areia) de ambas as argamassas é a mesma e que a presença de isopor e fibra, por serem inertes, nada influencia no processo de pega. A argamassa com resíduo difere-se das outras, em termos de constituintes devido a presença de lodo têxtil, além de fibra de polipropileno e pó de poliuretano (materiais inertes). A matriz dessa argamassa com resíduo é diferente das demais, visto que o lodo é adicionado em substituição (30%) à areia tendo assim uma matriz cimento-lodo. O decréscimo das propriedades mecânicas da argamassa com resíduo, curada ao ar, pode ser atribuído ao excesso de água que interfere no processo de pega, eventualmente acompanhada de reações indesejáveis entre o cimento e o resíduo têxtil. Observa-se no gráfico, para a argamassa douat, curada em estufa, uma diferença na evolução da resistência mecânica entre 7 e 14 dias em relação à curada ao ar, ocasionado pela evaporação de água no processo de cura em estufa, que provavelmente, interferiu nas reações de hidratação do material. O comportamento, no processo de pega, para as argamassas Douat e com resíduo têxtil, em seus diferentes processos de cura, são semelhantes, visto que aos 7 e 14 dias, ambas as argamassas possuem resistência maior curadas ao ar, enquanto que aos 28 dias, a resistência é maior curadas em estufa. A diferença observada entre os processos de cura ao ar e em estufa é que, aos 7 e 14 dias, a resistência à flexão é menor para a cura em estufa, mas no entanto, aos 28 dias, as resistências se equivalem. Isso revela que no processo de cura em estufa, a resistência é inferior ao do processo de cura ao ar, apenas à curto prazo.



As amostras produzidas sem a presença de resíduo, ou seja, a argamassa padrão, curada ao ar, e Douat, curada ao ar e estufa, apresentam características semelhantes tendo a presença de uma matriz “gel”, conforme podemos observar na figura 2, com fissuras que podem ter sua origem no processo de processamento do material, na conformação do bloco, ou até mesmo decorrente do processo de fratura em flexão (visto que as superfícies analisadas são superfícies fraturadas recuperadas do ensaio de flexão).

Figura 2 – Microestrutura de uma região de fratura da argamassa Padrão evidenciando a presença de gel e microtrincas.


Pode-se observar, nas figuras 3a e 3b, a formação de estruturas na forma de agulhas prismáticas, características da fase etringita (C6AS3H32)(2). A presença dessa fase se dá tanto na argamassa padrão quanto na douat e é indicativo do processo de hidratação.





Firgura 3 – a) Formação de cristais em forma de agulhas prismáticas na argamassa padrão. b) Formação de cristais em forma de agulhas prismáticas na argamassa douat.

Nas figuras 4a e 4b, observa-se partículas de isopor intactas e fraturadas, mas não há sinal de amassamento. Como esperado, existe uma baixa aderência na interface entre o isopor e o gel. Além disso, observa-se aglomerados de isopor que provavelmente provocam a diminuição da resistência mecânica(fig. 4a)






Figura 4 – a) Existência de aglomerados de isopor com partículas intactas e fraturadas de isopor. b) Observa-se a inexistência de uma ligação definida entre a partícula e o gel.
Na figura 5, observa-se a presença da fibra de polipropileno não rompidas, com fraca ou nenhuma interação com a matriz de cimento.

Figura 5 – Interface fibra-matriz revelando fraca interação com a matriz de cimento.

Na argamassa com resíduo têxtil, (figura 6) vê-se a presença de partículas, deformadas e indeformadas, de poliuretano na matriz. Não observa-se estruturas convencionais do processo de pega do cimento, revelando assim uma interferência na hidratação desta argamassa.






Figura 6 – a) Presença de partículas de poliuretano deformadas e indeformadas. b) Matriz de cimento e lôdo mostrando a inexistência de estruturas típicas do processo de pega do cimento.

CONCLUSÃO


Com esse estudo foi possível concluir que:

  • apesar das propriedades mecânicas decrescerem, é possível a utilização de resíduos sólidos industriais em argamassa, visto que o material para a aplicação em chapa metálica apresentou resistência mecânica dentro do mínimo de resistência exigido pela empresa.

  • A adição de resíduo e de outros materiais adicionais conferiu uma diminuição de densidade das argamassas estudadas, o que é de interesse para a empresa.

  • Existe um aumento de resistência ao longo do tempo para todas os traços estudados, exceto a argamassa com resíduo têxtil, curada ao ar.

  • Existe um comportamento definido para os diferentes processos de cura (ar e estufa), mas que ambos aos 28 dias conferem ao material praticamente os mesmos valores de resistência.

  • A microestrutura da argamassa com resíduo têxtil é diferente das demais argamassas, visto que sua matriz é diferente;

  • A microestrutura na argamassa Douat é equivalente àquelas encontradas na argamassa padrão (convencional).

REFERÊNCIAS

1. E. J. Verçoza, Materiais de Construção, Ed. Sagra, Porto Alegre-RS, Brasil (1982), cap. 7, pg. 351.

2. P. K. Metha ,P.J.Monteiro, Concreto : Estruturas, Propriedades e Materiais. Editora Pini, São Paulo, 1994.

3. E. G. R. Petrucci, Materiais de Construção, Ed. Globo, Porto Alegre-RS, Brasil, (1975), cap. VIII, pg. 136.

4. NEVILLE, Adams Matthew. Propriedades do Concreto. 2a ed. rev. São Paulo: Pini, 1997.

5. J. E. P. GUIMARÃES, Fundamentos e Aplicações na Engenharia Civil, Editora Pini Ltda, São Paulo, 1997. p.176-191.

6. Y. Agopyan , H. Savastano Jr., Revista Téchne (1998) n. 32, pg. 38-43.

7. J. Tanesi, A. D. Figueiredo, Fissuração por retração em concretos reforçados com fibra de polipropileno (CRFP), S.P. EPUSP, 1999. cap.1.

8. CETESB – COMPANHIA DE TECNOLOGIA DE SANEAMENTO AMBIENTAL.

Nota técnica sobre tecnologia de controle indústria têxtil. São Paulo, 1991.

STUDY OF MORTARS HYDRATION MECHANISM MANUFACTURED WITH INDUSTRIAL SOLID RESIDUE


ABSTRACT
This work consists in a development of mortars of smaller density to be used as coating of metallic plates similar of reduce costs and environmental impact using industrial solid residue. They were manufactured samples of mortars using poliuretany dust and mud textile residue in substitution to the sand through the cure processes in air (new processe) and stove (processe used nowadays by industry). Were also incorporated polypropilene fibers with the goal of increasing the mechanical resistence. The raw material was characterizated of the mineralogical point of view and the samples manufactured were characterizated after cure of 7, 14 and 28 days through de mechanical rehearsals and sweeping electronic microscopy. The study realized about the mortars hydration mechanism of mortars manufactured allowed us know bether the evaluation of mechanical properties of materials.
Key-words: mortars; industrial solid residue; polipropilene; polyuretany; textile mud.



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