Utilização de microesferas de aço nos concretos estruturais

Engenharia Civil

Utilização de microesferas de aço nos concretos estruturais

Kepler Cavalcante Silva

Professor Adjunto do Depart. de Eng^a Civil / Escola de Minas / UFOP

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José Emanuel Lopes Gomes

Professor Adjunto do Depart. de Eng^a de Controle e Automação / Escola de Minas / UFOP

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Marlon Batista Ferreira

Engenheiro Civil / Mestrando em Construções Metálicas / Escola de Minas / UFOP

E-mail: [e-mail]

Resumo

No presente estudo, observou-se a influência da microesfera de aço na utilização em concretos estruturais através da análise dos resultados da resistência à compressão aos sete dias de cura, obtidos através de ensaios destrutivos à compressão, de corpos de prova cilíndricos, moldados por concreto dosado com porcentagens do novo agregado (microesfera de aço), substituído por uma parcela de areia, nos traços de concreto utilizados.

Os concretos produzidos foram dosados experimentalmente e identificados pelo teor de argamassa e porcentagem de microesferas pela areia nos traços calculados. No presente trabalho, foram moldados sessenta e um corpos de prova, sendo que cinqüenta e oito foram ensaiados, um seccionado longitudinalmente para a análise da estrutura interna (disposição dos agregados) e os outros dois últimos selecionados para observações futuras.

Palavras-chave: microesferas, concreto, estrutura e ensaios.

Abstract

In the present study, the influence of the use of steel microsphere in structural concrete has been observed. By ayalyzing the results of compression resistance taken after seven days of curing and performance of compression destructive tests on cylindrical test molds consisting of measured concrete with added percentages of the new aggregate (steel microsphere), which replaced one sand parcel in the traces of the concrete used.

The produced concrete was experimentally dosed and identified according to the rate of building cement and percentage of microspheres in the sand of the calculated traces. In the present study, sixty-one test molds have been produced of which fifty-eight have been essayed, one selected longitudinally for analyse of it's internal structure (disposition of the aggregates) and the last two have been selected for future observations.

Keywords: microspheres, concrete, structure and test.

1. Introdução

O estudo apresentado tem a finalidade de descrever a influência de um novo material utilizado como agregado miúdo na produção de concretos estruturais, sendo observadas a resistência à compressão e a comparação com os valores das resistências obtidas com o uso apenas da areia como agregado miúdo.

As propriedades gerais do concreto, tais como trabalhabilidade (consistência e coesão), exsudação e massa específica são alguns dos principais fatores que dependem das características dos agregados. Uma vez analisada a aplicação de um novo agregado, observaram-se tais propriedades durante os ensaios de moldagem dos corpos de prova que foram confeccionados com a utilização das microesferas de aço. A trabalhabilidade é a propriedade que determina a facilidade com que uma mistura de concreto pode ser lançada, adensada e acabada, isto é, determina a facilidade com a qual um concreto pode ser manipulado sem segregação nociva e envolvendo, portanto, os conceitos de consistência e coesão.

A consistência mede a umidade do concreto, a qual é normalmente avaliada pelo abatimento do tronco de cone (slump test), que é usado também como medida da fluidez do concreto fresco.A coesão exprime a facilidade de adensamento e de acabamento promovendo a observação visual da resistência à segregação.A exsudação é definida como um fenômeno de aparecimento de água na superfície após o concreto ter sido lançado e adensado, porém antes de ocorrer a sua pega.

Na tecnologia dos concretos, existe uma grande preocupação com relação ao fator água/cimento e sua resistência à compressão. A influência do agregado na resistência do concreto geralmente não é um fator determinante, pois as partículas do agregado normalmente utilizado são várias vezes mais resistentes que a matriz do cimento e a zona de transição. Existem, contudo, outras características do agregado além da resistência, tais como o tamanho, forma, textura da superfície, granulometria e a mineralogia, que influem diretamente na resistência do concreto em vários níveis. O efeito das características dos agregados sobre a resistência do concreto pode ser indicado por uma mudança no fator água/cimento, também afetando as características da zona de transição.

Foi objetivo dessa pesquisa a análise dos efeitos da substituição da areia por um novo material ao traço do concreto, sobre a resistência do concreto (variação na magnitude do valor da resistência à compressão), observando-se preocupações com as possíveis causas da variação desses valores, inclusive as causas relativas à mudança no fator água/cimento, isto é, a influência do novo material sobre a porosidade da matriz de cimento e porosidade da zona de transição.

2. Caracterização do Material

2.1 Origem das microesferas de aço

As microesferas de aço são provenientes da lama grossa das aciarias. Logo que o ferro deixa o alto-forno, o mesmo sai com o teor de carbono em torno de 4,0%, sendo conduzido para a aciaria LD, onde é injetado (soprado) oxigênio líquido para queima do carbono, transformando-o em aço com um teor de carbono menor que 2,06%.Após a lavagem dos gases, essa lama conterá, portanto, microesferas de aço aglomeradas e com impurezas através da ação agregante das partículas finas, aqui denominadas de "poeira". Essa lama, considerada rejeito industrial, tem um certo custo de estocagem e manuseio.

2.2 Processo de obtenção

O processo de obtenção consiste na aplicação de um bombardeamento ultra-sônico sobre uma polpa formada pela adição de água à lama grossa, proveniente do classificador (parafuso). Esse bombardeamento ultra-sônico promove a dispersão das micropartículas ligantes da lama e que, atuando nas partículas maiores, promove sua desagregação. Deve-se ressaltar que esse processo mantém a integridade física e química das partículas que compõem a lama. Após essa desagregação, tais partículas estarão completamente liberadas. A polpa é, então, conduzida a uma mesa concentradora ou a uma espiral de Humphreys, para a obtenção de um concentrado com esferas metálicas, contendo uma porcentagem de ferro maior que 90%. A composição típica dessa lama é indicada a seguir:

Fe-metálico..................... 57,50%

Fe-total........................... 75,40%

SiO₂ ................................ 03,65%

CaO................................. 08,40%

AL₂ O₃............................. 01,70%

MgO ............................... 00,35%

C ..................................... 01,70%

2.3 Viabilidade

As empresas que fabricam aço em grande escala no País, como Usiminas, Açominas, CSN, CST, etc., produzem mais de 3000 toneladas/mês de lama grossa. Como essa lama grossa possui um rendimento maior que 50%, podem ser obtidas em cada usina mais de 1500 toneladas/mês de "pó de aço". A lama grossa, considerada resíduo final do processo de obtenção do aço e, portanto, rejeito industrial, é estocada e transportada para disposição final na natureza, o que exige mais investimentos das empresas envolvidas com a fabricação do aço.

O tratamento dessa lama grossa pode trazer grandes vantagens, tanto do ponto de vista econômico, quanto do ponto de vista tecnológico, podendo originar um material tecnicamente aceitável e economicamente atrativo.

Economicamente, a obtenção das microesferas de aço é viável, pois o custo de produção por esse processo é relativamente pequeno.O tratamento (reciclagem) de tal rejeito industrial substitui os investimentos relacionados ao seu destino final (lama grossa) na natureza, reduzindo, ou mesmo eliminando, possíveis riscos de impactos ambientais.

Tecnologicamente, a obtenção de um novo material a ser utilizado na fabricação de outros promove um avanço na busca de técnicas, métodos de produção e qualidade de novos materiais.

2.4 Propriedades obtidas em laboratório

As propriedades da microesfera, como peso específico e módulo de finura, foram determinadas em laboratório com a finalidade de obtenção de dados para o cálculo dos traços dos concretos. O módulo de finura foi obtido peneirando-se uma amostra de 500g de microesferas nas peneiras da série normal para agregados de concretos, de aberturas 1,2mm, 0,6mm, 0,3mm e 0,15mm, utilizando o peneiramento manual e obtendo-se um módulo de finura de 0,43mm, sendo a dimensão máxima característica da amostra de 0,3mm.

O peso específico foi obtido através da média de dois valores, determinados pelo processo do picnômetro (g = 5,7 kg/l) e pelo processo do frasco de Chapman (g = 5,3 kg/l). Foi considerado, nessa pesquisa, o peso específico como sendo a média aritimética entre os valores anteriores, isto é, 5,5kg/l.

3. Metodologia

O proporcionamento (dosagem) do concreto resume-se na escolha dos materiais adequados entre todos e no cálculo da combinação mais econômica dos mesmos, que produzam um concreto que atenda a algumas propriedades de desempenho mínimo. Para a produção dos concretos utilizados nos corpos de prova, adotou-se, entre os vários métodos, a dosagem experimental dos materiais constituintes.

A forma de composição da amostra foi definida através da confecção de três corpos de prova cilíndricos para cada traço de concreto produzido, com as quantidades e dimensões seguintes:

• 49 corpos de prova com 15cm de diâmetro e 30cm de altura;

• 12 corpos de prova com 10cm de diâmetro e 20cm de altura.

A execução de tais corpos de prova ocorreu segundo o critério de cálculo dos traços para os concretos e pela substituição da areia pela microesfera em porcentagens que variaram de 0 a 66%, segundo grupos distintos, diferindo sempre pela resistência característica e pelos teores de areia e cimento (a%) adotados. O concreto produzido foi especificado como um concreto estrutural com consumo de 300 kg/m³ de cimento (NBR 6118), considerando as resistências características aos 28 dias de idade com f_ck=15mPa e f_ck = 30 mPa.

A resistência média de dosagem foi obtida de acordo com as normas brasileiras NBR 12655 e pela NBR 6118/78. O valor do desvio padrão (S_d) adotado foi 4Mpa, conforme as condições de execução e controle do concreto definidos pela NBR-6118.A proporção entre os agregados foi definida em porcentagem do seu peso total na mistura, isto é, se a areia tem y% do agregado total, a brita tem (100-y)% desse total. Tomou-se, como referência de medida de slump, o valor de 80mm através do qual têm-se as constantes M1 e M2.A resistência do cimento CPIIE-32 aos 7 dias foi obtida de acordo com relatório semanal de ensaios de cimento da Holdercim/Pedro Leopoldo/MG.

A partir das constantes M1 e M2, da resistência do cimento, e da resistência média de dosagem dos concretos (f_cj),foram obtidos os valores teóricos da relação água/cimento. A moldagem dos corpos de prova foi realizada em quatro fases, sendo a primeira (a% = 48) e a segunda (a% = 53) efetuadas com uma determinada resistência média, a terceira (a% = 48) e a quarta fases (a% = 53) efetuadas com a outra resistência média.

Obtidos os valores teóricos da relação água/cimento e conhecidos os valores teóricos da relação teor de água/materiais secos, determinou-se o valor de m ,sendo este a relação entre o peso total do agregado e um kg de cimento. Conhecido o valor de m, obteve-se o valor em porcentagem da quantidade de cimento (% C) necessária para o traço a ser calculado. A partir dos valores de %C e de a%, obteve-se a% e finalmente calculou-se o valor de p%.

Em todas as fases, efetuou-se o cálculo da umidade da areia utilizada na composição dos traços calculados, portanto corrigindo-se a água de amassamento aplicada em cada traço. Para a determinação da umidade da areia, adotou-se o processo denominado speedy. Para a determinação da quantidade em peso de microesfera adicionada em cada traço em substituição à areia, considerou-se um certo volume de areia substituído por um mesmo volume de microesferas. Calculado o fator de correção entre os pesos específicos, determinou-se com precisão o peso de microesferas a ser adicionado em cada mistura. A mistura dos componentes do concreto foi realizada através de amassamento mecânico (betoneira). Após o amassamento, o concreto obtido foi lançado sobre uma bacia, onde se realizou o ensaio de abatimento do tronco de cone. Em seguida, preencheram-se os moldes com os concretos, usando-se mesa vibratória para o adensamento do concreto e expulsão de possíveis bolhas existentes.

Finalmente, os corpos de prova foram transportados para uma câmara úmida, onde foram submetidos ao processo de cura durante sete dias. Após esse período, os mesmos foram devidamente preparados para ensaios na prensa mecânica.

4. Resultados

Depois de obtidos os valores das resistências à compressão dos corpos de prova, observou-se que a adição de microesferas, em alguns casos, proporcionou acréscimos significativos na resistência à compressão, como ilustrado nos Figuras 1, 2, 3 e 4.

Figura 1
- Influência da substituição de areia por microesferas na resistência à compressão do concreto, na primeira fase do ensaio.

Figura 2
- Influência da substituição da areia por microesferas na resistência à compressão do concreto na segunda fase do ensaio.

Figura 3
- Influência da substituição da areia por microesferas na resistência do concreto na terceira fase do ensaio.

Figura 4
- Influência da substituição da areia por microesferas na resistência do concreto na quarta fase do ensaio.

Em geral, substituições da areia por microesferas de aço, no intervalo de 33 a 50%, geraram acréscimos, que oscilaram entre 8 e 20% na resistência dos concretos produzidos. Para substituições da ordem de 50 a 66%, os ensaios apresentaram resultados instáveis, pois, em alguns casos, o valor da resistência aumentou e, em outros, a resistência se mostrou abaixo da resistência adotada como parâmetro de comparação (traço m=0). A substituição total da areia pela microesfera (m=100%), realizada na segunda fase da pesquisa, resultou em valores muito baixos da resistência, não permitindo trabalhabilidade, sendo, portanto, descartada essa hipótese em todo o desenvolvimento da pesquisa.

Em todos os casos, observaram-se, positivamente, as propriedades, tais como trabalhabilidade, coesão, exsudação e absorção de água. A trabalhabilidade melhora com a adição da microesfera, pois, sendo um material de forma esférica, ocorre um abatimento real maior que o esperado visualmente, o que é demonstrado pelo abatimento do tronco de cone (slump test) mais acentuado. Verificou-se, também, um aumento na coesão da mistura, o que pode ter sido causado por um aumento do teor de finos.

Durante os ensaios, apesar da microesfera provocar uma absorção maior de água, não se verificou exsudação esperada, isto é, aparentemente houve uma redução da exsudação nos concretos com substituição da areia por microesferas. Houve uma melhora na mobilidade do concreto, que é traduzida na capacidade de o concreto deslizar melhor sobre o tronco de cone durante a realização do slump test.

5. Conclusões e Recomendações

O estudo desenvolvido apresentou a possibilidade de utilização de um novo material nas estruturas de concreto, possibilitando análise e discussão sobre a viabilidade técnica desse material. A substituição da areia em valores, no intervalo de 33 a 66%, em microesferas, produziu resultados positivos, aumentando, portanto, o valor da resistência à compressão do concreto. As propriedades, tais como trabalhabilidade, exsudação, mobilidade e coesão, melhoraram com a adição de microesferas, no intervalo anteriormente citado. A elevação no valor do peso específico dos concretos confeccionados com microesferas de aço já era esperada, devido ao próprio peso específico da microesfera. Esses concretos podem ser usados em estruturas de gravidade, como muros de arrimo, barragens ou em isolamentos radioativos, etc. Observações delinearam a necessidade de novos estudos sobre as propriedades adquiridas pelos concretos produzidos com a microesfera de aço, como, por exemplo, efeito Rusch, fluência, retração, etc.

6. Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio da Fundação Gorceix, ao Professor Espedito Teixeira e aos técnicos do laboratório ALTAMIRO TIBIRIÇÁ/EM/DECIV, Carlos Nazaré, Geraldo Magela e João Estevão, pelo apoio na preparação dos corpos de prova e na realização dos ensaios de caracterização.

7. Referências Bibliográficas

Artigo recebido em 05/07/2001 e aprovado em 13/03/2002.

• CARVALHO, E.F.T. Materiais de construção Ouro Preto :Editora UFOP, 1996. 150p.
• METHA, P.K., MONTEIRO, P.J.M. Concreto: estrutura, propriedades e materiais São Paulo: Editora Pini, 1999. 573p.
• DÍAZ, VITERVO. O método de dosagem de concreto de elevado desempenho São Paulo: Editora Pini, 1998. 122 p.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  16 Jul 2002
• Data do Fascículo
  Mar 2002

Histórico

• Recebido
  05 Jul 2001
• Aceito
  13 Mar 2002