UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA – CCT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM

PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

RAQUEL FOLMANN

ESTUDO DA APLICAÇÃO DE AREIA DESCARTADA DE FUNDIÇÃO EM TIJOLOS DE SOLO-CIMENTO

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC CENTRO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA – CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA – DEM

PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAIS - PGCEM

RAQUEL FOLMANN

ESTUDO DA APLICAÇÃO DE AREIA DESCARTADA DE FUNDIÇÃO EM TIJOLOS DE SOLO-CIMENTO

Dissertação apresentada para a obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Estado de Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas – CCT.

Orientador: Prof°. Luiz V. Dalla Valentina, Dr. Coorientador: Profª. Marilena V. Folgueras, Drª.

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F663e

Folmann, Raquel.

Estudo da aplicação de areia descartada de fundição em tijolos de solo-cimento / Raquel Folmann;

orientador: Luiz V. O. Dalla Valentina. – Joinville, 2012.

86 f. : il ; 30 cm.

Incluem referências.

Dissertação (mestrado) – Universidade do Estado Santa Catarina, Centro de Ciências Tecnológicas, Mestrado em Ciências e Engenharia de Materiais, Joinville, 2012.

1. Cerâmicas. 2. Solo-cimento. 3. Resíduos industriais. 4. Areia descartada de fundição. I. Dalla Valentina, Luiz.

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“Precisamos de uma nova visão da realidade, … que reflita o harmonioso estado de inter-relacionamento que observamos na natureza. … A sobrevivência de toda a nossa civilização pode depender de sermos ou não capazes de realizar tal mudança.”

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Aos meus pais, Rogério e Ana Maria, pelo exemplo de vida e amor incondicional. Às minhas irmãs, Ana Cláudia e Maysa, pelo

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AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus, pela vida abençoada que me concedeu.

A minha família querida, meu porto seguro, em especial a meus pais, Rogério e Ana Maria,

que sempre me apoiaram na vida e nos estudos. A minha irmã e cunhado por me acolherem em seu

lar de maravilhas, e aos meus sobrinhos queridos, Cainã e Ian, por me fazerem acreditar na pureza

da vida.

Ao meu orientador, professor Dr. Luiz Dalla Valentina, que sempre esteve aberto às minhas

ideias e acreditou no meu potencial, indicando o melhor caminho nos momentos de dúvida.

À minha coorientadora, professora Dra. Marilena Folgueras, pelos valorosos ensinamentos e

pelo apoio incondicional.

Aos meus colegas de Mestrado, pelas dificuldades e aprendizados partilhados, em especial

ao Guilherme, pela amizade, caronas e discussões enriquecedoras.

Ao Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia dos Materiais, e à UDESC, pela

oportunidade de realização do mestrado.

Ao CnPQ, pelo apoio financeiro por meio da bolsa de estudo.

Aos bolsistas Wendel, Wagner, Murilo e Sanders, pelo apoio 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, Dirceu Cardoso Jr. e a equipe da Fábrica de

Pavers, pela realização dos testes piloto com o solo-cimento.

A todos que, de alguma forma, colaboraram para a elaboração deste trabalho, o meu muito

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RESUMO

FOLMANN, Raquel. Estudo da aplicação de areia descartada de fundição em tijolos de solo-cimento. 2012. 79 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais – Área: Cerâmica) – Universidade Estadual de Santa Catarina. Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2012.

A eficiência ambiental permeia todos os setores produtivos através de um ciclo fechado de produção e consumo de materiais. A reciclagem de resíduos sólidos deve ser priorizada frente ao consumo de matérias-primas naturais, desde que comprovada viabilidade ambiental e técnica para tal. As fundições são grande recicladoras pois utilizam sucatas ferrosas como matéria-prima, porém geram enorme quantidade de resíduos, com destaque para as areias de moldagem. Buscando contribuir para a sustentabilidade das indústrias de fundição e da construção civil esse trabalho investiga a possibilidade da reciclagem de areia descartada de fundição (ADF) em tijolos de solo-cimento (SC). A construção com solo-cimento utiliza o solo como matéria-prima natural, se necessário areia e pedrisco para correção e o cimento como estabilizante. O estudo passa pela caracterização das matérias-primas utilizadas por difração de raios-X, análise térmica, granulometria, lixiviação e solubilização. 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. A interface entre os materiais constituintes do solo-cimento foi observada por microscopia eletrônica de varredura. A adição do resíduo de areia de fundição diminui a absorção de água da mistura e aumenta a densidade máxima com pequenas alterações na resistência mecânica. Os tijolos produzidos apresentam absorção de água e perda de massa no ensaio de durabilidade em conformidade com as normas técnicas vigentes. A adição combinada de ADF e de pó de brita eleva a resistência mecânica a níveis aceitos pelas normas de solo-cimento. Os resultados obtidos atestam a viabilidade técnica e ambiental para a utilização da areia descartada de fundição em tijolos de solo-cimento para alvenaria de vedação.

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ABSTRACT

FOLMANN, Raquel. Study of the application of spent foundry sand in soil-cement bricks. 2012. 79 f. Dissertation (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais – Área: Cerâmica) – Universidade Estadual de Santa Catarina. Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Joinville, 2012.

The environmental efficiency permeates all production sectors through a closed cycle of production and consumption of materials. The recycling of solid waste should be priorized against the consumption of natural raw materials as long as environmental and technical viability have been proved. The foundries are great ferrous scrap recyclers, but generate huge amount of waste, especially the foundry sand. In order to contribute to the sustainability of foundry and construction industries this work investigates the possibility of recycling spent foundry sand (ADF) in soil-cement (SC) bricks. The soil-soil-cement construction uses soil as natural raw material, sand and gravel if necessary correction, and cement as a stabilizer. The research involves the characterization of the raw materials by X-ray diffraction, thermal analysis, particle size, leaching and solubilization tests. In blends cement makes up 10% by weight and the soil, predominantly clayey, was partially replaced by spent foundry sand and gravel in different percents. The influence of the residue on the physico-chemical and mechanical properties of the mixtures was analyzed through compaction tests, isothermal conduction calorimetry, compressive strength, durability and water absorption in cylindrical specimens and modular bricks. The interface between the components was observed by electron microscopy scanning. The addition of spent foundry sand decreases the water absorption of the mixture and increases the maximum density with small changes in mechanical strenght. The bricks produced have water absorption and mass loss in the durability test in accordance with the current technical standards. The addition of ADF combined with gravel rises mechanical resistance to acceptable levels of soil-cement standards. The results attest the technical and environmental feasibility for the use of spent foundry sand in soil-cement bricks for masonry seal.

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO...11

1.1 Problemática...12

1.2 Justificativa...12

1.3 Objetivos...13

1.4 Estrutura do trabalho...14

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA...15

2.1 Solo...15

2.1.1 Argilominerais...15

2.1.2 Propriedades físico-químicas...16

2.1.3 Solo como material de construção...18

2.2 Cimento Portland...20

2.2.1 Obtenção e Componentes...20

2.2.2 Hidratação ...22

2.2.3 Tipos...23

2.3 Solo-Cimento...24

2.3.1 Tijolos de Solo-Cimento com Coordenação Modular...27

2.3.2 Reações químicas entre o Solo e o Cimento...28

2.3.3 Solo-cimento com adição de resíduos...29

2.4 Indústria de Fundição e a Geração de Resíduos...30

2.4.1 Estudos de Aplicação da Areia Descartada de Fundição (ADF)...32

2.4.2 Regulamentação para Aplicação da Areia Descartada de Fundição...35

3 MATERIAIS E MÉTODOS...38

3.1 Materiais...39

3.1.1 Solo ...39

3.1.2 Cimento...39

3.1.3 Areia Descartada de Fundição...40

3.1.4 Pó de Brita...40

3.1.5 Caracterização das Matérias-primas...41

3.2 Métodos...43

3.2.1 Dosagem...43

3.2.2 Calorimetria de Condução Isotérmica...44

3.2.3 Compactação ...45

3.2.4 Produção de Tijolo Modular...47

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3.2.6 Absorção de Água...50

3.2.7 Durabilidade...50

3.2.8 Microscopia Eletrônica de Varredura...51

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO...52

4.1 Caracterização das Matérias-primas...52

4.1.1 Índices Físicos do Solo ...52

4.1.2 Análise Granulométrica ...52

4.1.3 Análise de Difratometria de Raios X...54

4.1.4 Análise Térmica Diferencial...56

4.1.5 Lixiviação e Solubilização...57

4.2 Caracterização das Misturas...61

4.2.1 Calorimetria de Condução Isotérmica...61

4.2.2 Compactação...62

4.2.3 Resistência à Compressão...65

4.2.3.1 Corpos de prova cilíndricos...66

4.2.3.2 Tijolos modulares...67

4.2.4 Absorção de Água...74

4.2.5 Durabilidade ...77

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS...81

5.1 Conclusões...82

5.2 Sugestões para Trabalhos Futuros...82

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1 INTRODUÇÃO

O crescimento sem precedentes da população tem sobrecarregado o meio ambiente. O

padrão atual de desenvolvimento econômico tem consumido recursos naturais de maneira

indiscriminada, e as atividades industriais geram resíduos que podem contaminar ar, água e solo se

não forem dispostos corretamente, sendo assim, o reaproveitamento de resíduos industriais é um

desafio à sociedade moderna.

A comunidade internacional vem somando esforços para conscientização e reversão desse

quadro. Nesse sentido destacam-se a Conferência de Estocolmo (1972), a Assembléia Geral das

Nações Unidas (1983), o relatório de Brundtland (1987), a Conferência das Nações Unidas para o

Meio Ambiente (ECO 92) realizada no Brasil (consagrando o conceito de Desenvolvimento

Sustentável: um modelo econômico menos consumista e mais adequado ao equilíbrio ecológico) e a

Conferência Mundial sobre Desenvolvimento Sustentável realizada em Johanesburgo (2002), na

África do Sul, que traçou novas diretrizes para o Desenvolvimento Sustentável (aplicar o “pensar

globalmente e agir localmente”).

A Política Nacional do Meio Ambiente está regulamentada pela Lei n°6.938, de 1981 e

define poluição como “a degradação da qualidade ambiental resultante de atividades que direta ou

indiretamente prejudiquem a saúde, a segurança e o bem-estar da população, criem condições

adversas às atividades socioeconômicas, afetem desfavoravelmente a biota, afetem condições

estéticas ou sanitárias do meio ambiente e lancem matérias ou energia em desacordo com os

padrões ambientais estabelecidos”.

O modelo atual de produção é linear, em que os bens são concebidos, projetados,

construídos, utilizados e, após a vida útil, são acumulados no meio ambiente. O que o planeta

necessita é de um modelo fechado ou cíclico de produção e consumo de materiais (CALMON,

2007).

A estabilidade ecológica e econômica envolve o conceito de desenvolvimento sustentável,

ou seja, aquele que satisfaz as necessidades do presente sem comprometer a capacidade das

gerações futuras de satisfazer suas próprias necessidades.

Segundo Freire (2003) os resíduos produzidos pela atividade econômica, tais como os

resíduos industriais, agroindustriais, de exploração agropecuária e resíduos municipais são a grande

fonte de matéria-prima para a produção de novos materiais destinados à construção civil e rural,

assim como à pavimentação rodoviária, às obras de infraestrutura rural e urbana, aos projetos de

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dificuldades relacionadas com a sua coleta, armazenamento, transformação, normatização,

sistematização e aceitação.

1.1 Problemática

A fundição é o método mais rápido e o mais utilizado para se obter peças metálicas

acabadas, onde o metal é vazado em moldes de “areia verde”. A areia verde é uma composição de

areia comum, bentonita, pó de carvão e água, que depois de alguns ciclos perde sua capacidade

ligante e tem de ser descartada. Esse resíduo é classificado como classe II A, pela NBR 10.004, ou

seja, é não-perigoso e não-inerte. Estima-se que no Brasil são geradas 3 milhões de toneladas de

areias de fundição ao ano (ABIFA, 2009).

A construção civil, dentre os diversos setores industriais, é uma das maiores consumidoras

de recursos naturais. Pelo seu grande volume de produção e vasto espectro de composições tem

potencial para incorporar resíduos de outras atividades industriais. As vantagens de se proceder à

reciclagem incluem redução do volume de extração de matérias-primas, redução do consumo de

energia, redução dos custos com disposição de resíduos em aterros e melhoria da saúde da

população e do ambiente (MENEZES et al., 2002).

Em virtude do grande volume do resíduo de areia de fundição e dos impactos ambientais

oriundos do seu descarte, sua utilização é defendida em vários trabalhos (DAYTON et al., 2010),

(SIDDIQUE e SINGH, 2011), (CARNIN, 2008), inclusive em tijolos de solo-cimento.

1.2 Justificativa

Entre as estratégias de ciência e tecnologia para o desenvolvimento sustentável pode-se citar

a adoção de tecnologias apropriadas para a promoção do uso racional e eficiente dos recursos

naturais e tecnologias para o tratamento de resíduos para reutilização e/ou reciclagem

(MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE, 2000).

Entre os critérios que caracterizam uma tecnologia como apropriada cabe destacar: a sua

integração com o ecossistema de modo a minimizar o impacto ambiental; a autonomia em relação à

energia e matérias-primas locais; baixo custo; absorvedora de mão-de-obra, especialmente em

países em desenvolvimento onde esse recurso é abundante; capacitação acessível; menos burocracia

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O Brasil, dada sua grande extensão territorial e seus muitos pontos de dessemelhança,

transforma-se num enorme laboratório onde se pode pesquisar o uso e a aplicação de novos

materiais de construção, experimentar novas técnicas construtivas e estudar tecnologias apropriadas

para os meios rural e urbano (FREIRE, 2003).

Segundo Torgal e Jatali (2008) a energia gasta em transporte de materiais de construção

implica na utilização preferencial de materiais locais. A construção com terra torna-se

extremamente vantajosa pela sua disponibilidade e baixo custo, além de suas características de

isolamento térmico e baixo gasto de energia de fabricação.

Nesse contexto a pesquisa com solo-cimento e areia descartada de fundição justifica-se

economicamente pelo seu baixo custo de materiais e baixo gasto de energia ao privilegiar materiais

locais. Ambientalmente pela utilização de materiais reciclados em substituição aos recursos

naturais, reduzindo tanto a extração como a demanda por aterros industriais e socialmente pela

tecnologia simples e aplicável em assentamentos humanos urbanos e rurais, buscando assim

contribuir para a sustentabilidade dos materiais de construção.

1.3 Objetivos

Nesse cenário o presente trabalho tem como objetivo geral analisar a viabilidade da

reciclagem do resíduo de areia de fundição na fabricação de tijolos de solo-cimento.

E como objetivos específicos:

• Caracterizar as matérias-primas – argila e areia descartada de fundição – quanto a

sua granulometria, composição mineralógica por análise térmica e difração de raios

X e quanto às suas características ambientais através dos ensaios de lixiviação e

solubilização;

• Caracterizar as composições de solo-cimento e areia descartada de fundição quanto

às suas propriedades tecnológicas como absorção de água, resistência à compressão e

durabilidade;

• Observar o desenvolvimento da microestrutura do sistema solo-cimento e resíduo e

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1.4 Estrutura do trabalho

Esta dissertação é composta de cinco capítulos. No segundo capítulo apresenta-se a

fundamentação teórica, tratando dos materiais envolvidos – solo, cimento, areia descartada de

fundição e suas características. No terceiro capítulo é apresentada a metodologia experimental. O

quarto capítulo trata dos resultados e discussão dos experimentos práticos. E finalmente no capítulo

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