UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM ROSELI RODRIGUES DA SILVA SCHMITZ

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT

PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS E ENGENHARIA DE MATERIAIS – PGCEM

ROSELI RODRIGUES DA SILVA SCHMITZ

INCORPORAÇÃO DO RESÍDUO DE AREIA DE MACHARIA REGENERADA E DO RESÍDUO DE AREIA DE

MOLDAGEM NA FABRICAÇÃO DE TIJOLOS DE SOLO-CIMENTO

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INCORPORAÇÃO DO RESÍDUO DE AREIA DE MACHARIA REGENERADA E DO RESÍDUO DE AREIA DE

MOLDAGEM NA FABRICAÇÃO DE TIJOLOS DE SOLO-CIMENTO

Dissertação apresentada ao Curso de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais do Centro de Ciências Tecnológicas, da Universidade do Estado de Santa Catarina, como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais.

Orientador: Luiz Veriano Oliveira Dalla Valentina, Dr.

Coorientador: Profª. Marilena V. Folgueras, Drª.

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P774e

Schmitz, Roseli Rodrigues da Silva

Incorporação do resíduo de areia de macharia regenerada e do resíduo de areia de moldagem na fabricação

de tijolos de solo-cimento

Roseli R. S. Schmitz; orientador: Luiz Veriano Oliveira Dalla Valentina. – Joinville, 2014.

100 f. : il

Incluem referências.

Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais, Joinville, 2014.

1. Cerâmica.

I. Valentina, Luiz Veriano Oliveira Dalla. II. Folgueras, Marilena V. III Universidade do Estado de Santa Catarina

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AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeço a Deus pela vida e oportunidade que colocou em meu caminho. Oportunidade esta que agarrei com unhas e dentes para conquistar mais esta etapa que tanto significa para mim e minha família.

Minha família querida a quem dedico mais esta conquista, pois foram eles, minha sogra Maria Cordélia de Souza meus filhos Jaqueline Schmitz, Luiz Gustavo Schmitz e em especial meu querido marido, Marco Aurélio Schmitz, que estiveram ao meu lado durante este tempo em que me dediquei a esta caminhada. As minhas queridas Mãe e irmãs que apesar de longe sempre estiveram na torcida por mim.

Ao meu orientador, professor Dr. Luiz Dalla Valentina, á minha coorientadora, professora Dra. Marilena Folgueras, aos meus colegas de Mestrado, por tudo que compartilhamos, dificuldades, aprendizados, tristezas e alegrias.

Ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia dos Materiais, e à UDESC, pela oportunidade de realização do mestrado.

A CAPS, pelo apoio financeiro por meio da bolsa de estudo. As bolsistas Laís e Neuseli, pela ajuda nas etapas experimentais. Aos técnicos dos laboratórios da Engenharia Civil, John e Adilson, pelo apoio e disposição para realização dos testes com solo-cimento.

À Fundição Tupy, em especial à Raquel Carnin, e a equipe da Fábrica de Pavers, pela realização dos testes piloto com o solo-cimento.

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"Trabalhar com sustentabilidade é plantar um presente que garanta a subsistência das novas gerações, num planeta que pede socorro e se aquece a cada dia. Pois melhor que plantar árvores, despoluir rios, proteger animais, é semear a consciência de que a garantia da vida é respeitar as fronteiras da natureza."

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RESUMO

SCHMITZ, Roseli R. S. Incorporação do resíduo de areia de macharia regenerada e do resíduo de areia de moldagem na fabricação de tijolos de solo-cimento

2014. 102 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais – Área: Cerâmica) – Universidade do Estado de Santa Catarina. Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2014.

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do método de excitação por impulso e microscopia eletrônica de varredura MEV. A incorporação dos resíduos de fundição foram considerados adequados para a fabricação de tijolos de solo-cimento. A pesquisa mostra bons resultados das propriedades físicas e químicas do tijolo de solo-cimento e através destes resultados, observou-se que houve melhoras nas características como resistência mecânica, absorção de água, módulo de elasticidade e demais propriedades, viabilizando a incorporação dos resíduos ADF na fabricação deste material.

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ABSTRACT

SCHMITZ, Roseli, R.S. Incorporation of Waste Reclaimed Sand of Moulding Core and Waste of Sand Casting in the Manufacture of Soil-Cement Bricks. 2014. 102 f. Dissertation (Master Course in Scienceh and Materials Engineering – Area: Ceramic) – Santa Catarina State University, Post-Graduation. Program in Science and Materials Engineering, Joinville, 2014.

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Research shows good results of the physical and chemical properties of soil-cement brick using foundry sand regenerate and non-regenerated. Through these results, it was observed improvements in characteristics such as mechanical strength, water absorption, elasticity module and other properties, making possible the incorporation of the ADF residue into the manufacturing this material.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Modelos de tijolos modulares de solo-cimento ... 21

Figura 2 - Reações de hidratação do cimento ... 24

Figura 3 - Referencia de tamanho de grãos ... 26

Figura 4 - Componentes da Areia de Fundição: a) areia lavada, b) bentonita, c) pó de carvão. ... 27

Figura 5 - Fluxograma do processo de fabricação de indústria metalúrgica ... 28

Figura 6 - Fluxograma do processo de regeneração de areia de fundição - ADF ... 34

Figura 7 - Fluxograma representativo das principais etapas do trabalho ... 36

Figura 8 - Pesagem e mistura dos materiais ... 42

Figura 9 - Teste de compactação da mistura ... 43

Figura 10 - Fabricação dos tijolos solo-cimento ... 43

Figura 11 - Tijolos armazenados em paletes e embalados ... 44

Figura 12 - Resultado do ensaio de perda ao fogo para a argila ... 53

Figura 13 - Resultado do ensaio de resíduo da argila ... 54

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Figura 15 - Análise Térmica Diferencial (DTA) e Análise Térmica Gravimétrica (TGA) ... 56 Figura 16 - Imagem Microscopia Eletrônica De Varredura para amostra

de argila ... 57 Figura 17 - FTIR caracterização da areia de fundição do processo de

moldagem ... 58 Figura 18 - Microestrutura da areia de fundição do processo de

moldagem ... 60 Figura 19 - FTIR caracterização da areia de fundição regenerada do

processo de macharia ... 61 Figura 20 - Microestrutura da areia de fundição regenerada do processo

de macharia ... 62 Figura 21 - Curvas granulométricas e módulo de finura a areia natura 63 Figura 22 - Curvas granulométricas e módulo de finura da areia de

fundição proveniente do processo de moldagem ... 63 Figura 23 - Curvas granulométricas e módulo de finura da areia de

fundição regenerada proveniente do processo de macharia 64 Figura 24 - Curvas granulométricas para as composições 25%, 50%,

75% e 100% de ADF regenerada proveniente do processo de macharia ... 65 Figura 25 - Curvas granulométricas para as composições 25%, 50%,

75% e 100% de ADF de moldagem ... 65 Figura 26 - Resultado do ensaio de compressão dos tijolos solo-cimento

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Figura 27 - Resultado do ensaio de compressão dos tijolos solo-cimento com adição de areia ADF do processo de

moldagem ... 71

Figura 28 - Comparação dos resultados do ensaio de compressão dos tijolos solo-cimento com adição de areia ADF regenerada do processo de macharia e ADF do processo de moldagem ... 72

Figura 29 - Resultados do ensaio de absorção de água para as composições 100%, 75%, 50%, 25% de areia regenerada e ADF do processo de moldagem e 100% areia natural. .... 74

Figura 30 - Resultados do ensaio do módulo de elasticidade dinâmico (Ed), obtido de forma não destrutiva, das composições 100%, 75%, 50%, 25% de areia regenerada e ADF do processo de moldagem e 100% areia natural. ... 75

Figura 31 - Corpos de provas cilíndricos após o ciclo de molhagem, secagem e escovação do ensaio de durabilidade. ... 79

Figura 32 - 25 % ADF do processo de moldagem ... 81

Figura 33 - 50 % ADF do processo de moldagem ... 81

Figura 34 - 75% ADF do processo de moldagem ... 82

Figura 35 - 100% ADF regenerada ... 82

Figura 36 - 25% ADF regenerada ... 83

Figura 37 - 50% ADF regenerada ... 83

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Grupos ou famílias dos argilominerais ... 23 Tabela 2 - Principais componentes do cimento Portland. ... 25 Tabela 3 - Etapas realizadas para o desenvolvimento experimental .... 37 Tabela 4 - Classificação das faixas dos agregados miúdos segundo o módulo de finura (NBR 7211, 1983). ... 40 Tabela 5 - Valores de resistência mínima segundo a NBR 7170 (1983)

... 45 Tabela 6 - Composições utilizadas para a confecção dos corpos de prova cilíndricos ... 48 Tabela 7 - Resultado do ensaio de perda ao fogo da areia de fundição do processo de moldagem ... 59 Tabela 8 - Resultado do ensaio de perda ao fogo da areia de fundição regenerada do processo de macharia ... 61 Tabela 9 - Os resultados dos testes de solubilização da ADF

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Tabela 12 - Os resultados dos testes de lixiviação da ADF regenerada proveniente do processo de macharia ... 69 Tabela 13 - Os resultados dos testes de lixiviação e toxicidade da ADF

do processo de moldagem ... 69 Tabela 14 - Resultados dos testes de lixiviação e toxicidade da ADF regenerada do processo de macharia ... 70 Tabela 15 - Resultado do ensaio de absorção após 5 horas de fervura, para amostras de todas as composições, depois de seco por 24 horas na estufa por 1050C. ... 73 Tabela 16 - Limites de controle de qualidade para tijolos de

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ... 17

1.1 Justificativa ... 18

1.2 Objetivo ... 19

1.3 Estrutura do trabalho ... 19

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 20

2.1 Tijolos de solo-cimento ... 20

2.2 Argila ... 21

2.3 Cimento Portland ... 23

2.4 Areia ... 25

2.5 Aplicações diversas para as areias descartadas de fundição ... 29

3 MATERIAIS E MÉTODOS ... 34

3.1 Proposta de trabalho ... 34

3.2 Materiais ... 36

3.3 Métodos ... 37

3.3.1 Caracterização da argila... 37

3.3.2 Caracterização da ADF ... 39

3.3.3 Fabricação dos tijolos ... 41

3.3.4 Caracterização dos tijolos ... 44

3.3.5 Microscopia Eletrônica De Varredura MEV para as amostras com todas as composições ... 52

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ... 53

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4.2 Caracterização da matéria prima argila ... 53

4.3 Caracterização da areia de fundição - ADF ... 58

4.3.1 Análise granulométrica das areias ... 62

4.3.2 Ensaios solubilização e de lixiviação e toxicidade das ADFs regenerada de macharia e ADF de moldagem ... 66

4.3.3 Ensaio de toxicidade aguda com Daphnia magna das ADFs regenerada do processo de macharia e ADF do processo de moldagem ... 69

4.4 CARACTERIZAÇÃO DOS TIJOLOS ... 70

4.4.1 Ensaio Resistência à Compressão ... 70

4.4.2 Absorção de água ... 72

4.4.3 Módulo de elasticidade método de excitação por impulso ... 75

4.4.4 Ensaio de durabilidade ... 77

4.4.5 Resultado Microscopia Eletrônica de Varredura para as amostras de tijolos de solo-cimento ... 79

4.5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ... 86

5 CONCLUSÃO ... 87

5.1 Sugestões para trabalhos futuros ... 87

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INTRODUÇÃO

A preocupação com o meio ambiente, o desenvolvimento de novos materiais utilizando resíduos industriais, são algumas formas encontradas nos dias de hoje, de projetar um desenvolvimento mais sustentável.

O destino dos resíduos industriais é um problema que deve ser encarado de forma consciente, devendo as indústrias, optar por materiais recicláveis, onde a reutilização evitará que estes fiquem na natureza e levem anos para sua decomposição. Estes valores e conhecimentos de métodos corretos devem ser transmitidos a todas as pessoas, para que estas os coloquem em pratica, garantindo assim a integridade de rios, mares e também da saúde pública, pois sem conhecimento não há preservação (agenda 21).

Os resíduos provenientes da indústria metalúrgica, também provocam um grande impacto ao meio ambiente. O descarte da areia de fundição representa para as empresas metalúrgicas um grande problema a ser resolvido, e estas apostam em pesquisas e estudos para o reaproveitamento deste resíduo (OHN, 1999). O potencial para a reciclagem de areias de fundição, dependendo da sua composição situa-se entre 50 e 98% (OHN, 1999). Nos Estados Unidos a areia de fundição é utilizada em aterros e camada de estradas, fabricação de aglomerantes hidráulicos (fundações de estradas e inclusão de asfalto) fabricação de tijolos, telhas, cimento, entre outros materiais, (LUVIZÃO, 2008). Segundo ABM – Associação Brasileira de Metalurgia e Mineração (2008), a areia de fundição é considerada um material alternativo, que pode substituir matérias-primas, na fabricação de novos materiais.

Ao longo dos anos, várias pesquisas com interesse em materiais e técnicas construtivas que minimizam os impactos ambientais ocasionados pelos resíduos industriais, foram desenvolvidas. A importância da busca por alternativas mais sustentáveis, visando poupar recursos finitos do planeta tem gerado muito ganho ao meio ambiente (PISANI 2002).

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Quanto ao processo de fabricação dos tijolos cerâmicos, tem-se que estes, possuem em sua composição a argila, onde a moldagem é realizada com pasta plástica consistente em maquinas de fieira, tendo como problemática em sua fabricação, a grande quantidade de energia para a queima. A secagem e o cozimento são realizados em grandes fornos com temperatura em torno de 900 a 1000ºC (DIAS, 2008).

Os tijolos de solo-cimento não necessitam de queima, possuindo as características necessárias de resistências mecânicas e abrasão, impermeabilidade, durabilidade, e baixo consumo de energia para sua fabricação. Diferentes tipos de tecnologias têm sido empregadas no processo de fabricação dos tijolos de solo-cimento e sua utilização vem sendo aplicada em habitações em vários países. No Brasil, apesar de bastante utilizada na década de 80, não houve um grande desenvolvimento de tecnologia de fabricação (BARBOSA, 2008). Atualmente a fabricação se dá através de prensas, sendo essas mecânicas e/ou hidráulicas para quantidades maiores.

A pesquisa realizada no presente trabalho tem como objetivo, verificar a influencia da adição de um resíduo industrial de grande impacto ambiental, a areia descartada de fundição (ADF) regenerada e ADF do processo de moldagem, na fabricação de tijolos de solo-cimento.

1.1 Justificativa

Preocupações econômicas e ambientais dominam a questão da reciclagem de areia de fundição, a fiscalização ambiental está cada vez mais rigorosa para dar um destino adequado a este resíduo, que não o aterro de grandes áreas e este problema é um fardo econômico para a indústria de fundição.

Há também a preocupação com o meio ambiente, pois este resíduo não pode ser descartado de qualquer maneira. Desta forma, pesquisas para viabilizar a utilização da ADF na fabricação de materiais, vêm sendo desenvolvidas em diversas áreas do conhecimento.

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1.2 Objetivo

O objetivo geral deste trabalho é verificar a influência nas propriedades dos tijolos de solo-cimento com adição do resíduo de areia descartada de fundição de macharia, regenerado e areia de fundição do processo de moldagem.

E como objetivos específicos:

- Caracterizar as matérias-primas – argila e areia descartada de fundição – quanto às suas propriedades físico-químicas;

- Caracterizar as composições de solo-cimento e areia descartada de fundição quanto às suas propriedades tecnológicas (absorção de água, resistência a compressão, módulo de elasticidade, e durabilidade);

- Analisar a microestrutura do sistema solo-cimento com adição dos resíduos ADF.

1.3 Estrutura do trabalho

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FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Nesse capítulo será abordada a pesquisa realizada referente às matérias-primas empregadas, o solo, o cimento e a areia descartada de fundição bem como suas diversas aplicações no desenvolvimento de novos materiais.

2.1 Tijolos de solo-cimento

O tijolo de solo-cimento é um material alternativo de baixo custo, obtido pela mistura de solo, cimento, areia e água, em proporções adequadas. No início, essa mistura é úmida, após compactação e cura, endurece. Com o tempo ganha consistência e durabilidade suficiente para diversas aplicações (ALONSO, 2012).

Os tijolos de solo-cimento são produzidos através de prensagem, dispensando o processo de queima e conseqüentemente o uso da madeiras e combustíveis, evitando o desmatamento e a poluição do ar (SOUZA, 2006). Sendo uma evolução de materiais de construção do passado, como o barro e a taipa, onde as colas naturais, de características muito variáveis, foram substituídas pelo cimento. produto industrializado e de qualidade controlada.

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Figura 1 Modelos de tijolos modulares de solo-cimento

FONTE: Construction And Building Materials, 2012

O solo é o componente mais abundante no tijolo de solo-cimento. O cimento significa aproximadamente, entre 6% e 10% em peso, o suficiente apenas para estabilizar e conferir propriedades de resistência desejadas ao produto final. Praticamente qualquer tipo de solo pode ser utilizado. Entretanto, os solos mais apropriados são os que possuem teor de areia entre 45% e 50% (ALONSO, 2012).

2.2 Argila

As argilas são materiais que possuem propriedades plásticas na sua forma natural, propriedade esta resultante das forças de atração entre as partículas argilo-minerais e a ação lubrificante da água entre as partículas lamelares, porem retrai muito com o efeito do calor, (YIN, 2001).

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argilas, argilitos e xistos. Gibsita, constituinte dos solos lateríticos, sendo o principal mineral de alumínio.

Os minerais de argila são compostos essencialmente de sílica, alumina ou magnésia ou ambos, e água, mas substitutos de ferro, alumínio e magnésio em diferentes graus e também em quantidades apreciáveis de potássio, sódio e cálcio que estão freqüentemente presentes também.

A argila denominada caulim é aquela argila com predomínio de caulinita, pó branco utilizado como matéria prima da porcelana, quando úmida é muito plástica. O óxido de ferro, dá a cor avermelhada ou amarelada à maioria das argilas. Reduz a sua plasticidade e a propriedade de ser refratária, COSTA (2010). Na argila a presença de sílica livre faz com que a plasticidade e a retração reduzida, facilitando a secagem. Como paradoxo ela diminui a resistência mecânica, porém, quando é realizada a sua queima, a parte que funde vitrifica no cozimento, endurecendo o produto. Já a argila composta por alumina livre tem sua plasticidade e a resistência mecânica reduzida, mas a refratariedade aumenta com a presença da alumina. O Feldspatos agem como fundentes aumentando a massa específica, a resistência e a impermeabilidade, já o cálcio além de agir como fundente clareia a cerâmica. A presença de matéria orgânica na composição da argila, embora melhore a plasticidade, torna a cerâmica mais porosa. Ela é responsável pela cor escura da argila, AIPEA (2009).

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Tabela 1 - Grupos ou famílias dos argilominerais

Fonte: Associação Internacional de Estudo de Argilas – AIPEA (2009) Para a fabricação de tijolos de solo-cimento o solo deve obter várias propriedades. Entre estas propriedades está a plasticidade, isto é, quando misturado com água ter resistência à tração suficiente para manter a sua forma.

Partículas de argila possui espessura muito pequena em relação ao seu comprimento e largura, por isso, têm valores elevados de superfície específica. Estas superfícies levam uma pequena carga elétrica negativa, que irá atrair a extremidade positiva de moléculas de água. Esta taxa depende do mineral no solo e pode ser afetado por um eletrólito na água intersticial. Isso faz com que algumas forças adicionais entre os grãos do solo, sejam proporcionais à superfície específica. Assim, uma grande quantidade de água, poderá ser adsorvida para dentro de uma massa de argila.

2.3 Cimento Portland

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endurecimento garante aos materiais derivados do cimento grande resistência a compressão,a água e a sulfatos (KONSTANTIN, 2011).

O cimento portland é fabricado por aquecimento de calcário (carbonato de cálcio) com pequenas quantidades de outros materiais (tal como argila) a 1450°C em um forno, num processo conhecido como a calcinação, no qual uma molécula de dióxido de carbono é libertado a partir do carbonato de cálcio para óxido em forma de cálcio ou cal viva, que é então misturado com os outros materiais, incluídos na mistura. A substância dura resultante, chamado de "clinker", é depois moída com uma pequena quantidade de gesso formando um pó muito fino (CORREA, 2010).

De acordo com Correa (2010) as reações químicas durante a hidratação do cimento, acontecem desde os primeiro momentos após a adição da água. A figura 2 apresenta as reações entre o carbonato de hidratação entre o cálcio (CaCO3), e os demais componentes (SiO2, Al2O3, Fe2O3, etc.) formando silicatos e aluminatos, que são responsáveis pelas características dos materiais cimenticios (CONSTRUCTION AND BUILDING MATERIALS, 2009).

Os principais silicatos formados na calcinação do calcáreo e da argila, são:

• silicato dicálcico 2CaO.SiO2 (C2S) • silicato tricálcico 3CaO.SiO2 (C3S) • aluminato tricálcico 3CaO.Al2O3 (C3A)

• ferro aluminato tetracálcico 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF)

Figura 2 -

Reações de hidratação do cimento

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O cimento portland é normalizado e existem onze tipos no mercado. Pode ser encontrado cimentos com adição de diversos compostos e propriedades como o cimento portland comum - CP I, comum com adição - CP I-S, cimento portland composto com escória - CP II-E, com adição de pozolana - CP II-Z, cimento portland composto com fíler - CP II-F, cimento portland de alto-forno - CP III. Também o mercado de cimento oferece cimento portland de alta resistência inicial - CP V-ARI, com resistência a sulfatos - RS, cimento portland de baixo calor de hidratação - BC, além do cimento portland branco. Os componentes estruturais geralmente encontrados no cimento, tabela 2, são os silicatos e os aluminatos e óxidos.

Tabela 2 - Principais componentes do cimento Portland.

Fonte: FOLMANN 2012 2.4 Areia

Areia é uma ocorrência natural granular o material composto por rochas finamente divididas e partículas minerais. A composição da areia é altamente variável, dependendo da fonte e condições locais, mas o constituinte mais comum de areia é a sílica (dióxido de silício ou SiO2), geralmente sob a forma de quartzo (LEONARD, 1959).

As partículas de areia variam em diâmetro de 0,0625 milímetros (ou 1/16 mm) a 2 mm, ( figura 3). Um grão de areia se refere a uma partícula individual neste tamanho. Um padrão de engenharia de 1953, publicado pela Associação Americana de Transporte Rodoviária Estadual define o tamanho mínimo de areia em 0,074 milímetros. Uma especificação de 1938 do Departamento de Agricultura dos Estados Unidos foi de 0,05 mm (LEONARD, 1959).

A areia pode ser usada para fazer pequenos ajustes na qualidade do solo. Quando adicionada ao solo evita que durante a secagem o solo

Componente Sigla e Fórmula química

Silicato tricálcico – Alita 55%

22% 8%

Aluminato tricálcico 8%

Sulfato de cálcio – Gesso 2 a 3%

Óxido de magnésio livre 3 a 4%

Porcentagem média (em peso) C3S: 3CaO.SiO2

Silicato bicálcico - Belita ou felita C2S: 2CaO.SiO2 Ferro aluminato tetracálcico – Celita C4AF: 4CaO.Al2O3.Fe2O3

C3A: 3CaO.Al2O3 CSH2: CaSO4.2H2O

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se torne demasiadamente frágil. A areia pode também ser utilizada como um estabilizador em uma mistura (CHARNNARONG, 2012).

Figura 3 - Referencia de tamanho de grãos

Fonte: Anordnung der Tonteilchen nach Sedimentation (2011) 2.4.1 Areia de fundição

De acordo com (CARNIN, 2010) o processo de fundição é a maneira mais rápida de se obter peças metálicas acabadas. O processo consiste no vazamento do metal, em forma líquida, em caixas de moldagem elaboradas com moldes de areia, para dar a característica deseja à peça depois do resfriamento. O preparo químico da areia para modelagem do moldes é a primeira etapa do processo da fabricação das peças. Os moldes elaborados com areia juntamente com outros materiais como o pó de carvão, argila bentonita e água, figura 4, permitem a trabalhabilidade da mistura, exigida para a fabricação dos moldes (KONDIC, 1973). Em seguida o metal líquido é vazado para os moldes confeccionados com a mistura mencionada. A partir da desmoldagem das peças, a areia utilizada para a fabricação dos moldes, torna-se a areia descartada de fundição (PEREIRA et al, 2005). As areias de moldagem representam em geral cerca de 80% dos resíduos do processo de fundição

A areia de macharia é composta por areia, resina fenólica e catalizadores. Classificados pela Norma NBR 10004em sua grande maioria como Classe II-A por ter principalmente como elementos solubilizados Manganês, Ferro, Alumínio, e em pouquíssimos casos Fenol, Metais, Sódio.

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Figura 4 - Componentes da Areia de Fundição: a) areia lavada, b) bentonita, c) pó de carvão.

Fonte: CARNIN (2008)

Segundo a Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração - ABM (2009), a relação aproximada de produtos versos resíduo é de um para um, isto é, aproximadamente uma tonelada de resíduo para cada tonelada de produto acabado.

No Brasil são gerando aproximadamente 3 milhões de toneladas de areia descartada de fundição por ano (ABM, 2009). O Estado de Santa Catarina em torno de 670.000 toneladas por ano, (ABM, 2009) e 75% deste volume são provenientes do município de Joinville e região (RIBEIRO, 2003). Nesta região está localizada uma das maiores industrias de fundição do Brasil. Na figura 5 é apresentado o fluxograma típico do processo de fabricação da indústria metalúrgica.

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Figura 5 - Fluxograma do processo de fabricação de indústria metalúrgica

Fonte: Panorama do Descarte de Areias de Fundição (GARCIA, 2006) A vida útil das areias de fundição para a indústria é finita. A areia nova, preparada para fazer os moldes de fundição são reutilizadas. No entanto chega uma fase em que o calor e à abrasão mecânica, torna a areia inadequada para uma nova utilização, e esta perde suas propriedade de moldagem, sendo parte desta continuamente removida e substituída por areia nova. Estima-se que menos de 15% do resíduo de fundição gerados anualmente são reciclados. Estudos indicam que uma percentagem maior de areia de fundição pode ser reciclada. Estudos indicam que uma percentagem maior do resíduo areia de fundição pode ser reciclado de forma segura e economicamente viável (CARNIN, 2010).

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propriedades físicas, químicas ou infecto-contagiosas, podem apresentar risco à saúde, são considerados perigosos. Já os resíduos classe II, são considerados não perigosos e se subdividem em classe II A e classe II B. Os resíduos não inertes (II A) podem ter propriedades, tais como: biodegradabilidade, combustibilidade ou solubilidade em água. Resíduos Inertes (classe IIB) são quaisquer resíduos que, quando amostrados de uma forma representativa e submetidos a um contato dinâmico e estático com água destilada ou desionizada, à temperatura ambiente, não tiverem nenhum de seus constituintes solubilizados (NBR 10007, 2004).

A classificação de um resíduo, por si só, não deve impedir o estudo de alternativas para a sua utilização. No entanto, é essa classificação que orienta os cuidados especiais no gerenciamento do resíduo sólido, os quais podem inviabilizar sua utilização quando não se puder garantir segurança ao trabalhador, ao consumidor final ou ao meio ambiente (ABNT, 2006).

2.5 Aplicações diversas para as areias descartadas de fundição

Diversos estudos e pesquisas vêm sendo realizadas com o objetivo de minimizar o impacto ambiental produzido pelos aterros com areia de fundição. Em diversas áreas do conhecimento este resíduo vem sendo utilizado em busca de novas tecnologias de reaproveitamento. Um estudo em que verificou a viabilidade da utilização da ADF, substituindo a areia convencional na fabricação de pavimentos de concreto foi realizado por Watanabe (2004). Através deste estudo verificou-se a possibilidade da utilização de até 25% de areia de fundição em substituição ao agregado convencional. Estes resultados reforça a utilização do resíduo para este fim o que gera economia considerando o grande número de estradas pavimentadas.

Já Klinsky (2005) estudou a incorporação de 7% do resíduo areia de fundição na confecção de concreto asfáltico usinado com o teor ótimo de asfalto de 6,5% e concluiu que o concreto asfáltico contendo o resíduo atende as especificações do DNIT e não apresenta riscos ambientais. Este tipo de asfalto já vem sendo utilizado em maior escala em países mais desenvolvidos.

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pesquisa os resultados mostram que os tijolos com adição de areia de fundição com um percentual de 20% em peso, tem bom desempenho mecânicos e econômicos.

Na mesma linha de pesquisa Carnin (2008) estudou a incorporação de 15% do resíduo areia verde de fundição na fabricação de concreto asfáltico usinado a quente. A conclusão foi que as misturas contendo o resíduo obtiveram um teor ótimo de asfalto, satisfazendo requisitos das especificações rodoviárias. Além disso, os resultados dos ensaios ambientais realizados durante a pesquisa, em amostras de massa asfáltica contendo 15% de resíduo, também demonstra que estes não apresentam riscos ao meio ambiente.

Também na produção de tijolos e demais produtos derivados do cimento, a areia de fundição vem sendo empregada com resultados animadores. Mazariegos, (2008) realizou um estudo que investigou a viabilidade técnica para a reciclagem da ADF, onde se estabeleceu uma metodologia, a qual avalia a estabilização do resíduo em matrizes solidificadas de cimento Portland, melhoradas através de adições de argila bentonita sódica e/ou sílica ativa. Os resultados obtidos demonstram que, tanto a bentonita sódica, quanto a sílica ativa contribuem para o aumento da eficiência de fixação dos metais, alumínio, ferro e cromo, por parte das matrizes de cimento Portland. Os tijolos foram submetidos aos ensaios de solubilização, resistência à compressão e absorção de água, apresentando resultados satisfatórios e comprovando a viabilidade técnica para aplicação na execução de alvenarias.

Yucel (2010) investigou a reutilização da areia de fundição na produção de concreto de alta resistência. A areia foi substituída por areia de fundição em 5%, 10% e 15%. Os resultados mostraram que com adição de 10% de resíduos de areia de fundição apresenta resultados positivos com os limites aceitáveis estabelecidos pelo American Concrete Institute (ACI).

(33)

apresentando resultados satisfatórios e comprovaram a viabilidade técnica para aplicação na execução de alvenaria.

Santurde et al, (2010) estudaram a viabilidade da reciclagem da areia de fundição em tijolos de argila. Foram desenvolvidos ensaios na linha piloto e na linha industrial utilizando-se areia natural como uma referência em até 35% em peso. Os resultados demonstram que a areia de fundição pode ser reciclada em tijolos cerâmicos e que não existem desvantagens tecnológicas relevantes. Areia de fundição pode ser introduzida em tijolos em até 30% em peso.

Santurde et al (2010) estudaram a valorização da areia de fundição na fabricação de tijolos cerâmicos em escala industrial. O que para uma indústria é considerado um resíduo, para outra é um dos principais conceitos da ecologia industrial. O comportamento ambiental dos corpos cerâmicos em diferentes estágios do ciclo de vida em três ensaios de lixiviação foram desenvolvidos. Os resultados indicaram que a areia proveniente da indústria de fundição pode ser utilizada com argila em materiais de construção, e que estas cerâmicas possuíam melhores resultados ao sal solúvel.

Santurde (2011) utilizou areia de fundição, e argila em proporções 0-50%, calcinado de 850°C a 1050 °C para a produção de tijolos cerâmicos. As amostras foram avaliadas através de um estudo de otimização. Observou que os tijolos possuíam qualidade industrial verificadas com os ensaios de laboratório, e a quantidade ótima de areia encontra-se em 35% a 25% de areia de fundição.

Dois tipos diferentes de argila, vermelha e amarela, foram usadas por Furlani,(2011) para preparar dois tipos de materiais com adição de areia de fundição. As amostras foram sintetizadas durante 1 hora a temperaturas de 900-1140 ° C. Observou-se que, após a sinterização, todas as composições mostram a presença da fase vítrea que rodeia os grãos cristalinos. A mistura contendo areia de fundição e argila vermelha obteve melhor comportamento global. Durante a análise das amostras queimadas não verificou-se a presença de compostos de metais pesados presentes nos materiais.

(34)

(7,6 wt.%) E areia de silicato de sódio (10,8 wt.%) no processo de fabricação de cimento.

A incorporação de areia de fundição em uma massa de cerâmica vermelha, constituída por uma argila vermelha e uma amarela, em proporções ponderais crescentes foi estudada por Frasson (2012). Os resultados mostraram que a adição de 16% de ADF é benéfica pois ouve redução na retração linear após secagem (110 °C) e queima (965 °C) dos corpos de prova.

O uso de ADF em tijolos de solo-cimento está sendo realizado com a empresa Ecoedificar de Caxias do Sul. A proposta é incorporar ADF na mistura da composição da massa do tijolo de solo-cimento, construindo traços com porcentagens definidas de cada matéria-prima. Com 24% de ADF cada tijolo possui 1,087 kg de ADF. Assim projeta-se um total de aplicação máxima de ADF de 2.100 toneladas/ano.

Outro projeto vem sendo desenvolvido com a fabricação de pavers e a criação de uma unidade piloto para sua produção nas dependências da Fundição Tupy em Joinville. O material desenvolvido alcançou resistência média de 37,79 MPa enquanto o mínimo estabelecido em norma é de 35 MPa. Os ensaio de absorção de água foi da ordem de 6,6% e a perda de massa no ensaio de durabilidade foi de 0,5%. As peças vem sendo utilizadas para confecção de calçadas, pavimentação de ruas de baixo tráfego e espaços urbanos (CARNIN et al., 2010)

FOLMANN, (2012) estudou a reciclagem de areia de fundição na fabricação de tijolos de solo-cimento. Nas misturas o cimento compõe 10% em peso e o solo, de predominância argilosa, foi parcialmente substituído por areia descartada de fundição e pó de brita em diferentes percentuais. Assim foi analisada a influência da adição do resíduo nas propriedades físico-químicas e mecânicas das misturas através de ensaios de compactação, calorimetria de condução isotérmica, resistência à compressão, durabilidade e absorção de água em corpos de prova cilíndricos e tijolos modulares. Os resultados obtidos atestaram a viabilidade técnica e ambiental para a utilização da areia descartada de fundição em tijolos de solo-cimento para alvenaria de vedação.

(35)
(36)

3

MATERIAIS E MÉTODOS

Neste capítulo será apresentado os materiais e métodos empregados no desenvolvimento experimental desta dissertação.

3.1 Proposta de trabalho

Este trabalho tem como proposta a incorporação das areias de fundição provenientes do processo de macharia, regenerada e de moldagem na fabricação de tijolos solo-cimento, e a verificação através de ensaios mecânicos das propriedades obtidas.

Areia de fundição regenerada é o resíduo gerado na fabricação de machos provenientes do processo de vazamento de metais ferrosos em industrias de fundições (figura 6). Após a coleta, esta passa por um destorroador e em seguida é peneirada. A areia é submetida ao processo de separação de partículas metálicas através do separador magnético e depois é levada ao forno e sinterizada a 900ºC, sendo resfriada e armazenada, concluindo-se então o processo de regeneração.

Figura 6 - Fluxograma do processo de regeneração de areia de fundição -

ADF

(37)

solo-cimento. A intenção é verificar a possibilidade da empresa empregar em seus produtos a areia descartada de fundição, tornando-o mais atraente economicamente e agregando valor ao produto pelo apelo ambiental.

A fabricação dos tijolos foi realizada nas instalações da empresa de fundição localizada em Joinville, em duas etapas distintas. Primeiramente com adição de ADF de macharia regenerada e em na segunda etapa com adição de areia de moldagem.

Quatro misturas foram elaboradas, contendo areia de fundição de macharia regenerada com uma porcentagem de 100, 75, 50 e 25% de areia de fundição em peso para 100 kg de mistura e 4 misturas contendo areia de fundição do processo de moldagem, contendo as mesmas porcentagens, 100, 75,50 e 25% de ADF, em peso para 100 kg de mistura. Também foram fabricados tijolos com uma mistura de 100% de areia natural, tendo como base a mistura utilizada na empresa Olaria Rumo Certo, localizada em Araquari - SC, para que fosse possível comparar os resultados obtidos.

(38)

Figura 7 - Fluxograma representativo das principais etapas do trabalho

3.2 Materiais

Os materiais utilizados para o desenvolvimento deste trabalho foram:

(39)

Cimento - O cimento utilizado é o cimento portland de alta resistência inicial CP V - ARI e cimento portland CP II.

Areia natural - A areia utilizada também e proveniente da olaria Rumo Certo, localizada em Araquari - SC.

Areia Descartada de Fundição, regenerada e ADF do processo de moldagem - proveniente da indústria de fundição, localizada em Joinville - SC.

Água - rede de abastecimento Águas de Joinville. 3.3 Métodos

Inicialmente foram realizados ensaios de caracterização das matérias-primas utilizadas ( argila e areia descartada de fundição) e posteriormente dos tijolos de solo-cimento com adição de ADF. As etapas realizadas para o desenvolvimento experimental podem ser observadas de acordo com a tabela 3 .

Tabela 3 - Etapas realizadas para o desenvolvimento experimental

Caracterização das matérias primas utilizadas na fabricação de tijolos solo-cimento.

3.3.1

Caracterização da argila

A argila foi coletada na área de armazenamento da indústria cerâmica, e submetida a secagem a 1000C por 24 horas. Para a realização da análise mineralógica o material foi submetido desaglomerado com esferas de alumina no moinho de vibração por 30 minutos e passada em peneira ABNT n° 100 µm. Foram realizados e determinação de teor de resíduos.

(40)

ºC. Para a realização deste ensaio foi utilizado uma amostra do material seco. Realizou-se a queima, na temperatura a 1000 ºC, partindo de temperatura ambiente. Após queima e resfriamento ao ar a amostra foi pesada para o calculo da perda ao fogo.

Ensaio de resíduo - A porcentagem deste resíduo (%R) deve ser baixa, uma vez que ele é considerado prejudicial pois interfere na cor da cerâmica, na densidade, e na sinterização dos materiais cerâmicos, (ROSIFINI, 2011). Para a realização do ensaio de resíduo foi utilizado a amostra bruta, seca a 100oC x 24 horas. Em um becker de vidro de 65 ml, foi pesado 11,30g da amostra (mi). adicionou-se 50 ml de água destilada e agitou-se a mistura com bastão de vidro. A mistura foi transferida para uma peneira de # 325 e lavada em água corrente até eliminar toda a fração argilosa.

O material que restou na peneira foi transferido cuidadosamente para becker de vidro e levado a estufa para secar a 100 ºC por 5 horas. O Material obtido (mf) foi pesado e determinado a porcentagem de resíduo obtido na amostra, utilizando a equação 3.1.

(3.1)

Através da análise de Espectroscopia vibracional na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) foi possível investigar a composição da amostra. Baseado no fato de que as ligações químicas das substâncias possuem freqüências de vibração específicas, as quais correspondem a níveis de energia da molécula, níveis vibracionais específicos. Os dados foram obtidos em um espectrofotômetro FTIR Shimadzu modelo 8300. Todos os espectros foram coletados no intervalo 4000-400 cm-1, 32 varreduras e resolução de 4 cm-1.

(41)

3.3.2

Caracterização da ADF

Para a caracterização da areia de fundição ADF, foram também realizados os ensaios de Espectroscopia vibracional na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), Microscopia Eletrônica De Varredura, MEV Análise Térmica Diferencial (DTA) e Análise Térmica Gravimétrica (TGA) , além dos ensaios a seguir especificados.

Massa específica do resíduo ADF - para a realização do ensaio de massa específica do cimento foi utilizado os seguintes equipamentos de acordo com a norma NBR6474: Frasco de Lê Chatelier, funil de vidro, espátula, 60 gramas de resíduo, 250 ml de querosene, recipiente para pesagem do resíduo, balança de precisão. Experimento: Colocou-se no frasco de Lê Chatelier 250ml de querosene e fez-se a 1ª leitura. Com o auxílio de uma espátula e um funil de vidro colocou-se no frasco de vidro os 60g de resíduo. Aguardou-se até atingir o equilíbrio e fez-se a 2ª leitura.

(3.2)

Portanto o volume do resíduo será: Lf - Lo

Massa unitária do resíduo ADF- para a execução do ensaio de massa unitária do resíduo utilizou-se um recipiente, pesou-se (P1) e preencheu-se com resíduo deixando cair de uma altura de aproximadamente 10cm e pesou-se novamente (P2). P1 - P2 = massa de resíduo contido no recipiente.

(3.3)

(42)

esta variedade de tamanho dos grãos é importante pois colaboram para um melhor efeito de empacotamento, tabela 4.

Tabela 4 - Classificação das faixas dos agregados miúdos segundo o módulo de finura (NBR 7211, 1983).

Fonte ABNT - NBR 7121 - 1983

Análise Granulométrica das areias ADF e natural - foi utilizada a NBR NM 248 - Agregados que prescreve o método para a determinação da composição granulométrica de agregados miúdos e graúdos. Nesse caso, vamos mostrar o ensaio granulométrico do agregado miúdo.

As amostras foram secas em estufa por 24h a 1000C, depois foram resfriadas em temperatura ambiente. As peneiras com aberturas de 4.75mm, 2.36mm, 1.18mm, 0.6mm, 0.3mm e 015mm foram encaixadas de modo a formar um única peneira, com abertura da malha crescente de acordo com a finalidade do ensaio. Foi promovida a agitação do conjunto de peneiras, por um tempo razoável para permitir a separação e classificação prévia dos diferentes tamanhos de grão da amostra. A massa total do material retido em cada peneira e no fundo do conjunto foi determinada. O somatório de todas as massas não deve diferir de 0,3% de m1; O procedimento foi repetido para as demais, de massa m2 e m3, de acordo com o realizado na primeira amostra, de massa m1. Módulo de finura é definido como a soma das porcentagens retidas acumuladas em massa de um agregado, nas peneiras da série normal, dividida por 100.

(43)

(30±2) rpm durante (18±2) h a temperatura de 25°C. O extrato lixiviado é resultante da filtragem dessa mistura.

Para o ensaio de solubilização são utilizados 250g de material passante em malha 9,5mm misturados a 2500ml de água deionizada. A mistura é repousada por 7 dias a temperatura ambiente. O filtrado resultante é denominado extrato solubilizado.

Para o ensaio de toxicidade aguda com Daphnia magna,

realizada por laboratórios externos, preparou-se uma parte da mistura para quatro partes de água deionizada. A mistura foi submetida a agitação de 30 rpm por 20h a 24h e sedimentação por 1h em temperatura ambiente. O sobrenadante foi retirado e centrifugado por 22 minutos a 3500 rpm. O produto final foi utilizado para o ensaio de toxicidade.

As análises para as ADFs, regenerada e ADF do processo de moldagem, foram realizadas pela empresa Bioagri de Piracicaba SP, para os testes de lixiviação, Greenlab de Porto Alegre RS para o ensaio de solubilização e Umwelt de Blumenau SC, para o ensaio de toxicidade. De acordo com os requisitos da Resolução CONSEMA 011/2008, foram analisados o extrato lixiviado e o extrato aquoso da ADF, obtidos a partir de uma solução com pH neutro.

3.3.3

Fabricação dos tijolos

(44)

Figura 8 - Pesagem e mistura dos materiais

Para a dosagem do traço base adotou-se a seguinte p 50 kg de areia, 40kg de argila, 10kg cimento e 2 kg de água. Pa estabelecido foi utilizado como base o trabalho de Folmam ( mistura rendeu 21 tijolos, desses, três serviram para realizar o compressão.

O ensaio de compactação consistiu compactar uma p mistura solo-cimento em um cilindro com volume conhecido, se variar a umidade de forma a obter o ponto de compactação no qual obtém-se a umidade ótima de compactação. Uma porção da mistura foi utilizada para o teste de aderência, onde s se a mistura está homogênea e o teor de umidade é suficien compactação dos materiais, observado na figura 9.

e proporção: Para o traço m (2012). A r o ensaio à a porção da do,

(45)

Figura 9 - Teste de compactação da mistura

Os componentes foram prensados e colocado industrial. O resultado da mistura foi prensada em prens que os tijolos fossem moldados, figura 10.

Figura 10 - Fabricação dos tijolos solo-cimento

Os tijolos foram armazenados em palete embalados em material plástico para acelerar proce

dos em misturador nsa hidráulica para

(46)

identificados de acordo com a ordem de fabricação, traço e da 11).

Figura 11 - Tijolos armazenados em paletes e embalados

3.3.4

Caracterização dos tijolos

Para a determinação da resistência mecânica à compre absorção d'água dos tijolo de solo-cimento utilizou-se a N (1984) e foi realizado no laboratório de Engenharia Universidade Estadual de Santa Catarina- UDESC, que conta c os equipamentos necessário para a execução do ensaio.

Foram utilizados para o ensaio de compressão os ti lotes representativos estabelecidos na NBR 8491( 1984), n de três tijolos por lote. Cada tijolo foi marcado de mane identificado facilmente e medido. 0 valor médio de cada do tijolo é resultado da média de pelo menos três deter executadas em pontos diferentes, com precisão de 1 mm. a) Ensaio á compressão simples

O tijolo foi cortado ao meio, perpendicularmente maior dimensão. As duas faces maiores foram sobrepostas metades obtidas, e as superfícies cortadas invertidas

data, (figura

pressão e da NBR 8492 a Civil da ta com todos s tijolos dos , num total

neira a ser a dimensão terminações

(47)

com uma camada fina de pasta de cimento Portland, pré-contraída (repouso de aproximadamente 30 min), de (2 a 3) mm de espessura e aguardando o endurecimento da pasta.

A superfície foi coberta com uma camada de pasta de cimento pré-contraída, rasando com uma régua metálica. Logo que a pasta começou a endurecer, o corpo-de-prova foi retirado do sistema de guias e com o auxilio de uma placa de vidro foram feitos movimentos circulares sobre a camada de pasta, com a finalidade de se dar um acabamento final a superfície e retirar o excesso de água que a pasta possa conter; esta operação foi repetida até que a placa de vidro deslizasse facilmente sobre a pasta; após aproximadamente 24 h, passou se a regularização da superfície de trabalho oposta.

O corpo-de-prova foi colocado diretamente sobre o prato inferior da maquina de ensaio a compressão, de maneira a ficar centrado. A aplicação da carga foi uniforme e a razão de 500 N/s (50 kgf./s) até ocorrer a ruptura do corpo-de-prova.

Os valores individuais de resistência a compressão, expressos em MPa (kgf./cm-2), foram obtidos dividindo-se a carga máxima observada durante o ensaio (em N ou kgf.) pela média das áreas das duas faces de trabalho cm2.

A NBR 7170 (1983) estipula a resistência mínima exigida para tijolos maciços, tabela 5.

Tabela 5 - Valores de resistência mínima segundo a NBR 7170 (1983)

Categoria Resistência à

Compressão (MPa)

A 1,5

B 2,5

C 4,0

Fonte: NBR 7170 (1983) b) Ensaio de absorção de água

(48)

Os corpos de prova foram imergidos em um tanque durante 24 h. Após foram retirados da água, enxugados superficialmente com um pano úmido e pesados (antes de decorridos 3 minutos) , obtendo-se assim a massa do tijolo saturado M2, em g.

Os valores individuais de absorção de água, expressos em porcentagem, são obtidos pela seguinte expressão:

(3.4)

Onde: M1 = massa do tijolo seco em estufa M2 = massa do tijolo saturado

A = absorção de água, em porcentagem.

c) Ensaio de Porosidade

O ensaio para determinação da massa específica, índice de vazios e absorção de água foi realizado de acordo com a norma NBR 9778:2005. A absorção de água, o índice de vazios e a massa específica da amostra seca foram definidas pelas equações a seguir:

(3.5)

Onde: A: absorção (%); Iv: índice de vazios (%); ρs: massa

específica do tijolo seco (g/cm³); Ms: massa da amostra seca em estufa por 24 horas (g); Msat: massa da amostra saturada em água após imersão e fervura por 5 horas (g); mi: massa da amostra saturada imersa em água após fervura (g).

(49)

Os equipamentos utilizados para a execução do ensaio foram: cilindro metálico pequeno (cilindro de Proctor), compreendendo o molde cilíndrico, a base e o cilindro complementar de mesmo diâmetro (colarinho); as dimensões a serem respeitadas;

• soquete pequeno, consistindo em um soquete metálico com massa de (2500 ± 10) dotado de dispositivo de controle de altura de queda (guia), de(305 ± 2) mm; as dimensões a serem respeitadas;

• balanças que permitem pesar nominalmente 10 kge 200 g, com resoluções de 1 ge 0,01 g, respectivamente, e sensibilidades compatíveis;

• peneiras de 19 mm e 4,8 mm, de acordo com aNBR 5734; • estufa capaz de manter a temperatura entre 105°Ce 110°C; • bandejas metálicas de 75 cm de comprimento por50 cm de

largura por 5 cm de altura;

• régua de aço biselada, com comprimento de 30 cm

• espátulas de lâmina flexível, com aproximadamente 10 cm e 2 cm de largura e 12 cm e 10 cm de comprimento, respectivamente;

• desempenadeira de madeira com 13 cm x 25 cm; • extrator de corpo-de-prova;

• base rígida, preferencialmente de concreto, com massa superior a 100 kg;

• repartidor de amostras;

• almofariz de porcelana e pequeno pilão com mão revestida de borracha;

• conchas metálicas com capacidade de 500 cm3;

• papel-filtro com diâmetro igual ao do molde empregado.

Material • Solo

• cimento Portland • Areia natural

• Areia de fundição proveniente do processo de moldagem ADF do processo de moldagem

(50)

Para a composição dos corpos de provas cilíndricos foi utilizado o mesmo traço, tabela 6, definido para a confecção dos tijolos de solo-cimento.

Tabela 6 - Composições utilizadas para a confecção dos corpos de prova cilíndricos

Preparação do solo

Após secagem ao ar, a amostra total de solo foi destorroada, seca e peneirada, de acordo com a NBR 6457.

Ensaio

Foi adicionado cimento Portland à amostra preparada de solo na quantidade especificada. O solo e o cimento e as areias foram misturados completamente, até que a coloração esteja uniforme em toda a massa, compondo a mistura seca. Após a mistura seca, adicionou-se água.

Compactação

As amostras foram compactadas no molde cilíndrico e após a compactação, o colarinho foi removido. O excesso de material foi rasado cuidadosamente com a régua, de modo a obter uma superfície o mais possível lisa e nivelada com o topo do molde. O molde foi removido com o emprego do extrator.

(51)

ensaio. Os corpos-de-prova nº 2 e nº 3 foram ser utilizados para obter a perda de massa durante o ensaio. Os corpos-de-prova curaram por sete dias na câmara úmida onde após foi e determinado o volume do corpo-de-prova nº 1no final da cura. Os três corpos-corpo-de-prova foram imersos em água, e foram removidos após 5 h. Após foi determinado sua massa e volume.

Colocou-se três corpos-de-prova na estufa de temperatura de (71 ± 2)°C por 42 h. Determinou-se a massa e o volume do corpo-de-prova nº1 e escovou-se a superfície de cada um dos corpos-de-corpo-de-prova nº 2 e nº 3 com a escova de aço. Este procedimento, que constitui um ciclo de 48 h de molhagem e secagem, foi repetido mais cinco vezes.

Após os seis ciclos, três corpos-de-prova foram levados à estufa a temperatura entre 105°C e 110°C até atingir massa constante. Os dados coletados permitiram calcular a variação de umidade e a variação de volume do corpo-de-prova nº 1 e a perda de massa dos corpos-de-prova nº 2 e nº 3 após os seis ciclos onde:

Cálculo da variação de volume:

(3.6)

Vv,n = variação de volume do corpo-de-prova nº1 em cada etapa, em % i V= volume inicial do corpo-de-prova nº1

Vn= volume do corpo-de-prova nº1 em cada etapa

Cálculo da perda de massa (3.7)

Onde:

A= água retida no corpo-de-prova nº1, em %

Mf (1) = massa seca final do corpo-de-prova nº1 após atingir massa constante, em g.

(52)

Corrigiu-se as massas secas dos corpos-de-prova nº2 e nº3, descontando a água que reagiu com o cimento e o solo durante o ensaio e que ficou retida no corpo-de-prova nº1 a 110°C, conforme a equação a seguir:

(3.8)

Onde:

Mfc (2,3) =massa seca final corrigida dos corpos-de-prova nº2 e nº3, em g

Mf (2,3) = massa seca final dos corpos-de-prova nº2 e nº3 após atingir massa constante, em g

A= água retida no corpo-de-prova nº1, em %

A perda de massa dos corpos-de-prova nº2 e nº3 como porcentagem da massa seca inicial, foi calculada conforme a equação a seguir:

(3.9)

Onde:

Mi(2,3)= massa seca inicial calculada, por ocasião da moldagem dos corpos-de-prova nº2 e nº3, em g Mfc (2,3) = massa seca final corrigida, dos corpos-de-prova nº2 e nº3, em gPm(2,3) = perda de massa dos corpos-de-prova nº2 e nº3, em %.

e) Módulo de elasticidade através do método de excitação por impulso As propriedades elásticas das diferentes misturas de solo-cimento foram analisadas através do módulo de elasticidade dinâmico (Ed), obtido de forma não destrutiva . De acordo BODIN et al. (1990), o adobe tradicional pode apresentar módulo de elasticidade entre 2,0 MPa e 3,0 MPa .

(53)

calculou-se a média e o desvio padrão, parte do procedimento para se encontrar a incerteza da medição.

Para medir as dimensões dos corpos de prova, utilizou-se a máquina de medir por coordenadas manual QM-Measure 333 da Mitutoyo. A escolha se deu pelo fato do equipamento apresentar uma resolução maior do que a apresentada no software.

Após todo procedimento de medição das amostras concluído, calculou-se a média e o desvio padrão dos valores dimensionais.

Entretanto, sabe-se que os cálculos ligados ao desvio padrão não representam o valor total da incerteza de cada uma destas medidas. Para que o tratamento matemático aplicado pelo equipamento de caracterização do módulo de elasticidade tenha maior confiabilidade, além do cálculo da aleatoriedade das medidas ligadas à massa e ao comprimento, fez-se necessário o cálculo do erro máximo dos equipamentos utilizados.

Para o equipamento de medição dimensional, usou-se a equação do erro máximo do equipamento:

(3.10)

Onde

L = comprimento da medida [mm] Em = Erro máximo [µm]

Com as médias e as incertezas calculadas iniciou-se a utilização do equipamento. inseriu-se os parâmetros dimensionais e de massa e define-se os parâmetros “Duração de sinal” e “Amortecimento”, que auxiliam o software no reconhecimento do tipo de material. Como as amostras trata-se de um material possui alta porosidade atribuiu-se um valor maior para o amortecimento, para este caso o tempo de duração do sinal é menor.

(54)

3.3.5

Microscopia Eletrônica De Varredura MEV para as amostras com todas as composições

(55)

4

RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 Introdução

Neste capítulo, serão apresentados os resultados da caracterização dos materiais, os resultados experimentais, as discussões e por fim as conclusões pertinentes a este trabalho.

4.2 Caracterização da matéria prima argila

A argila é constituída de argilominerais, minerais como o quartzo, calcita, dolomita, pirita, entre outros, e matéria orgânica. No experimento de ensaio de resíduo, a fração composta pelos minerais e pela matéria orgânica é denominada resíduo.

A perda de massa deve-se à liberação de umidade livre, água de hidratação, dióxido de carbono, dióxido de enxofre, produtos voláteis da queima e alguma matéria orgânica. De acordo com os resultados obtidos e demonstrados a partir do figura 12 esta perda chegou a um percentual de 10%.

Figura 12 - Resultado do ensaio de perda ao fogo para a argila

(56)

Após a realização do ensaio de resíduo, obteve-se a porcentagem de argila da composição, 49%. O restante do material, 51% é composto por areia e outros resíduos minerais. A presença de 51% de areia e outros resíduos na composição pode garantir características de consistência ao solo como demonstrado através da figura 13. Dessa forma é possível caracterizar a amostra como um solo argiloso, pois contêm mais de 40% de argila em sua composição, (VIEIRA, 2003).

Figura 13 - Resultado do ensaio de resíduo da argila

Para a fabricação de tijolos solo-cimento não deve ser utilizados solos que contenham grande quantidade de matéria orgânica, pois elas podem prejudicar ou alterar a hidratação do cimento, alem de gerar patologias ao tijolo depois de pronto afetando sua resistência (AUGUSTA, 2004).

(57)

Figura 14 - Espectroscopia vibracional na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) da argila.

A ligação na banda de 690 cm-1 refere-se a presença de OH. Os hidróxidos são bases por liberarem a hidroxila em meio aquoso. Por conseqüência, aumentam o pH do meio por diminuírem a concentração de íons de hidrogênio. A presença das bandas em 751 e 794 cm-1 indicam a vibração camada interna pela presença de Al-O-Si, (DAVARCIOGLU, 2011). Também é possível observar a banda localizada em 916 cm-1 cuja relação é devido a presença de Al-Fe-OH.

Segundo Zhang,(2003) os picos em 1003, 1030 e 1120 cm-1 indicam estiramentos característicos da ligação SiO2. Com isso pode se deduzir a fabricação da cerâmica utilizando essa matéria prima pode ser formada pelos tetraedros [SiO] e [AlO] unidos por ligações do tipo Si - O - Al. Observa-se picos ente 3600 e 3700 cm -1 (BALA, 2000), as bandas referentes a 3610 e 3690 cm -1, relativas ao grupo OH livre e/ou combinado.

(58)

Na figura 15 estão demonstradas as curvas da análise térmica diferencial (DTA) e análise térmica gravimétrica (TGA) da argila. Na análise da curva de DTA, observa-se a existência de um pico endotérmico entre 80 e 160ºC provavelmente devido à presença de água livre e água absorvida. Um pico endotérmico é observado entre 502 e 570ºC, que pode está associado à eliminação das hidroxilas da argila e transformação da caulinita em metacaulinita, (VIRTA, 1999). Na temperatura entre 1100 a 1200ºC, observou-se um pico exotérmico, que pode estar associado a reorganização do material, com formação de fases cristalinas.

Figura 15 - Análise Térmica Diferencial (DTA) e Análise Térmica

Gravimétrica (TGA)

(59)

Através do ensaio de Microscopia Eletrônica MEV, pode observar-se a partir da figura13, partículas configurações variados. Muitas das partículas são pequenas partículas, porém sem ligações entre elas, figu

Figura 16 - Imagem Microscopia Eletrônica De Varredur

de argila

Através da Imagem Microscopia Eletrônica D MEV (ver figura 13) é possível observar que existe um dos grãos de quartzo. A presença de material arg dimensões menores, em torno de 1 e 1,5 µm, e aparên das argilas, “folhas”, podem ser visualizados individ em aglomerados. Os resultados obtidos pelo estudo da a possível presença de caulinita, de quartzo (SiO2) e do ó responsável pela coloração avermelhada da amostra classificada como solo argiloso, pois possui mais de 40

ica De Varredura las de tamanhos e o aglomerados de

gura 16.

ura para amostra

(60)

sua composição. O solo argiloso está associado quantidades significativas de inertes, sendo os mais freqüentes grãos de sílica e de calcário.

4.3 Caracterização da areia de fundição - ADF

De acordo com o ensaio de FTIR utilizado para caracterizar a areia, figura 14, a banda em torno de 1032 cm-1, seu alargamento é devido a sobreposição com a banda da bentonita, como pode ser observado na figura 17. Nesta região também se encontra a banda 1032cm-1 referente a provável presença do carvão. A banda 3628 cm-1 é referente ao estiramento O-H. A banda em 1627 cm-1 refere-se a presença de água no material. A banda em 582 cm-1 refere-se a presença do Si-O e entre 693 cm-1 e 795 cm-1 são bandas características da presença de quartzo.

Figura 17 - FTIR caracterização da areia de fundição do processo de

moldagem

(61)

Tabela 7 - Resultado do ensaio de perda ao fogo da areia de fundição do processo de moldagem

(62)

Figura 18 - Microestrutura da areia de fundição do processo de moldagem

O resultado do FTIR utilizado para caracterizar a fundição regenerada, a banda em torno as bandas em 572 cm -a presenç-a do Si-O e entre 710 e 820 cm-1são bandas caracter presença de quartzo. As bandas em 1070 cm-1 e 1250 cm-1 p relacionadas com a presença de bentonita. As bandas em 195 2080 cm-1 e 2180 cm-1 podem ser associadas ao grupo CH2. A entre 2450 cm-1 e 2100 cm-1 pode ser atribuída ao estirame Observa-se uma banda próxima de 3626 cm-1 que pode ser at estiramento vibracional de grupo hidroxila interna e ex bentonita, como é possível ser visualizado na figura 19.

de

(63)

Figura 19 - FTIR caracterização da areia de fundição reg processo de macharia

O resultado do ensaio de perda ao fogo da ar regenerada do processo de macharia, tabela 8, mostra massa foi 0,001% o que é possível considerar que não pequena quantidade de materiais voláteis em sua compo Tabela 8 - Resultado do ensaio de perda ao fogo da a

regenerada do processo de macharia

Cadinho 26,38

g

Areia de fundição regenerada 23,00 g

Perda ao fogo

Diferença massa inicial

menos massa final 0,00

Analisando a microestrutura da areia de fund do processo de macharia (figura 20), é possível observ grão de quartzo em tamanho e formatos variados. D análise da composição química realizada em dois gr visualmente diferentes, identificou-se a presença de Si, da Au estão relacionados ao recobrimento da amostra c execução do ensaio. Não foi identificado alguns elem encontrados nas amostras de areia de fundição d moldagem, como o Al, Mg, Fe, Na e pequenos picos de

egenerada do

areia de fundição tra que a perda de ão há apenas uma posição.

a areia de fundição

49,38g

49,33g

0,05 =

001%

(64)

Figura 20 - Microestrutura da areia de fundição regenerada do p de macharia

4.3.1

Análise granulométrica das areias

De acordo com o figura 21 é possível observar granulométrica da areia natural que cerca de 58% está localiza curva da zona utilizável limite inferior e zona ótima limite infe grãos com até 0,37mm, 35% entre a curva ótima limite supe zona ótima limite inferior com grãos entre 0,37mm a 2,36 localizada na zona ótima limite superior e zona ótima limite grãos com 0,15mm a 0,17mm, sendo classificada com o m finura de1,98mm, areia fina.

o processo

(65)

Figura 21 - Curvas granulométricas e módulo de finura a areia natura

As curvas granulométricas e o módulo de finura para a areia de fundição ADF do processo de moldagem está apresentado no figura 22. Através da curva podemos observar que cerca de 85% da areia está entre 0,15mm a 0,6mm, entre a zona utilizável limite inferior e a zona ótima limite superior. O módulo de finura para a ADF do processo de moldagem é de 1,86mm o que a classifica como areia fina.

Figura 22 - Curvas granulométricas e módulo de finura da areia de

fundição proveniente do processo de moldagem

Figure

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