Pozolanicidade dos resíduos industriais, lã de vidro e lã cerâmica

Pozzolanicity of the industrial wastes, glass and ceramic wools

METALURGIA E MATERIAIS METALLURGY AND MATERIALS

Pozolanicidade dos resíduos industriais, lã de vidro e lã cerâmica

Pozzolanicity of the industrial wastes, glass and ceramic wools

Neuza Evangelista^I; Jorge Alberto Soares Tenório^II; José Roberto de Oliveira^III

^IDoutoranda em Engenharia de Materiais pela Rede Temática de Materiais - REDEMAT/UFOP. [e-mail]

^IIDoutor em Metalurgia e Materiais, Professor Titular do Departamento de Metalurgia e Materiais da Escola Politécnica da USP; Professor Convidado do Programa de Pós-graduação da REDEMAT. [e-mail]

^IIIDoutor em Metalurgia e Materiais, Professor do Programa de Pós-Graduação em Metalurgia e Materiais – PROPEMM - IFES. [e-mail]

RESUMO

As fibras cerâmicas se caracterizam por ser um material leve, com alto grau de pureza, baixo armazenamento de calor, baixa condutividade térmica, resistência a choque térmico e alta resistência à corrosão em altas temperaturas. Essas características levam a uma grande procura das indústrias mínero-metalúrgicas e de outros setores para revestimentos de distribuidores, muflas, fornos de aquecimentos, entre outros. Após utilização no processo, por perderem sua capacidade de isolamento, os resíduos gerados precisam de destinação. Esse trabalho enfoca, especificamente, resíduos de lã cerâmica e lã de vidro. Pelo fato de a composição das fibras cerâmicas ser rica em sílica e alumina, efetuou-se uma investigação acerca da atividade pozolânica das mesmas com a cal e o cimento, especificamente CPV ARI, CPII E32 e CPIII 32RS, para avaliação da perspectiva de reciclagem em possível incorporação no concreto.

Palavras-chave: Resíduos industriais, lã cerâmica, lã de vidro, atividade pozolânica.

ABSTRACT

Ceramic fibers are characterized by their light weight, high degree of purity, low heat storage, low thermal conductivity, thermal shock resistance and superior corrosion resistance in high-temperature environments. Such characteristics make them ideal in the coating of distributors, mufflers, heating ovens, inter alia, as highly demanded by the mining and metallurgical industries, among others. After use in the process of industrial production, generated waste will lose its insulation capacity and thus requires disposal. The present work focuses specifically on ceramic and glass wools. Due to the fact that ceramic fibers are aluminosilicate rich, we carried out an investigation relating to their pozzolanic activity with lime and cement, CPV ARI, CPII E32 and CPIII 32RS specifically, aiming at an evaluation of their recycling prospect for incorporation into concrete.

Keywords: Industrial wastes, ceramic wool, glass wool, pozzolanic activity.

1. Introdução

Shiskin (2009) apresenta as fibras cerâmicas como uma geração de materiais que combinam alta refratariedade, baixa condutividade térmica e baixa inércia. Afirma que contribuem para reduzir o consumo de energia e enumera, como suas principais características: material leve, alto grau de pureza, baixo armazenamento de calor, baixa condutividade térmica, resistência a choque térmico e alta resistência a corrosão em altas temperaturas, além de não requisitarem demanda significativa de manutenção e reparos nos revestimentos. As características termo-acústicas levam a uma grande procura por parte das indústrias mínero-metalúrgicas para seu uso em revestimentos de distribuidores, muflas, fornos de aquecimentos e de outros setores como os mercados de construção civil, automotivo, eletro-eletrônico (Luoto et al., 1998).

Após utilização no processo, por perder sua capacidade de isolamento, os resíduos gerados precisam de destinação segura, como aquela feita em aterros industriais ou outra destinação. A reciclagem/reaproveitamento é a melhor alternativa dentro de um programa de minimização de resíduos na perspectiva de gestão ambiental de uma empresa.

O gerenciamento de resíduos industriais tem especial destaque, considerando a ótica de um programa de minimização pautado essencialmente na redução na fonte, isto é, menor geração dos resíduos, e na reciclagem (Rocca et al., 1993), o que repercute nos dois paradigmas elementares para garantia de qualidade de vida e do meio ambiente: preservação dos recursos naturais esgotáveis e mitigação de impactos ambientais, com a não deposição de resíduos no solo (aterros industriais) e a não geração de passivos ambientais.

Segundo o IARC (International Agency for Research on Cancer), tem-se que as fibras cerâmicas pertencem ao grupo IIB, de produtos cancerígenos, em função da biossolubilidade das partículas inaláveis das lãs (Baan, 2004; Wilson et al., 1999 apud Alves, 2008). Segundo a NBR10004 (ABNT, 2004), a toxicidade comprovada classifica os resíduos gerados como resíduos de classe I ou perigosos. Nesse grupo ainda se encontram também as fibras de amianto. Deve-se destiná-las, a princípio, por essa razão, em aterros industriais classe I.

Os resíduos de lã de vidro já são classificados como de classe II-A, não perigosos e não inertes. Deve-se prever sua destinação em aterros industriais classe II (ISOVER, 2010).

O objetivo desse trabalho consiste em se buscar o reaproveitamento desses resíduos a partir de sua incorporação em argamassas e concretos. Para tanto, considerando-se a composição química das fibras de origem (SAINT GOBAIN, 2007 e BRASCOTERM, 2009), efetuou-se uma investigação acerca da atividade pozolânica desses materiais com a cal e o cimento.

Peruzzi (2002), em estudos de utilização de fibras de vidro como aditivos ao concreto, acerca da hidratação do cimento, apresenta o cimento CP V ARI como o mais desfavorável à fibra de vidro, sob o ponto de vista de ataque alcalino às fibras (maior teor de C₃S), o CP III 32RS como o mais favorável e o CPII E32 como intermediário. O fato é que o hidróxido de cálcio, conhecido como portlandita, Ca(OH)₂ - CH, seria o maior responsável pelo meio alcalino, que, reagindo com as fibras de vidro, causaria a perda de resistência mecânica, de modo que um cimento com maior teor de C₃S seria o mais favorável à sua formação.

Nesse contexto, efetuou-se a investigação de atividade pozolânica dos resíduos com a cal e com 03 tipos de cimento, especificamente: CPII E32, CPIII32RS, CPV ARI.

2. Materiais e métodos

Materiais

Os resíduos foram cedidos por uma empresa siderúrgica (lã cerâmica) e por uma empresa mineradora (lã de vidro).

Para o estudo, processaram-se os resíduos em moinhos de bolas, em quantidades médias para cada moagem em torno de 600g, num período de tempo médio de 20 minutos. Realizaram-se moagens para obtenção de um total de 58,7kg de lã cerâmica e de 56,7 kg de lã de vidro (Borges, 2007).

Na caracterização de resíduos cominuídos, procederam-se análise granulométrica, a partir de granulômetro a laser CILAS, análise química por Espectofotômetro de Emissão Atômica com Fonte de Plasma (Marca: Spectro/ Modelo: Ciros CCD/ICP-AES: Inductively Coupled Plasm - Atomic Emission Spectroscopy), análise de microestrutura por Microscopia Eletrônica de Varredura e determinação do tipo de estrutura por Difração de Raios X. Determinou-se, também, a área específica pelo Método Blaine e os índices de finura dos resíduos exigidos pela NBR12653 (ABNT, 1992) como foi o caso do resíduo retido na peneira de 45µm (325#), por peneirador aerodinâmico - NBR12826 (ABNT, 1993). Determinou-se a massa específica dos resíduos a partir do ensaio definido pela NBR NM 23 (ABNT, 2000).

A composição química e a granulometria dos cimentos foram fornecidas pela empresa fabricante. A cal teve sua composição química e granulometria determinadas a partir das mesmas técnicas usadas para os resíduos.

Os materiais utilizados são especificados na Tabela 1. Os dados dos lotes de cimento foram fornecidos pelo fabricante e são apresentados na Tabela 2.

Métodos

Estão entre os métodos de avaliação de atividade pozolânica de materiais os ensaios regulamentados pelas normas NBR 5751 (ABNT, 1992), Materiais pozolânicos - Determinação de atividade pozolânica - Índice de atividade pozolânica com a cal; NBR 5752 (ABNT, 1992), Materiais pozolânicos - Determinação de atividade pozolânica com cimento Portland - Índice de atividade pozolânica com o cimento; NBR 12653 (ABNT, 1992), Materiais Pozolânicos, e NBR 7215 (ABNT, 1996), Cimento Portland - Determinação da Resistência à Compressão para determinação da resistência à compressão simples da argamassa. São considerados métodos indiretos de aferição, pois não quantificam o hidróxido de cálcio consumido pelos materiais pozolânicos avaliados, mas se estabelecem os índices de atividade pozolânica a partir da resistência à compressão em corpos de prova cilíndricos.

Os índices de avaliação, nesses métodos, são apresentados na Tabela 3.

Na investigação da atividade pozolânica, foram moldados, para cada cimento e/ou cal, nove corpos de prova, 50mmx100mm: 03 de referência, 03 com resíduos de lã cerâmica e 03 com resíduos de lã de vidro. A moldagem dos corpos de prova obedece à norma NBR 7215. No total, obtiveram-se 36 corpos de prova (03 tipos de cimento e a cal).

A cura dos corpos de prova difere para a avaliação da atividade pozolânica com cal e com o cimento. Para a cal, a cura se processa em 07 dias, nas primeiras 24h em câmara úmida e nos 06 dias restantes à temperatura fixa de (55±5)ºC. Para o cimento, a cura processa-se em 28 dias, sendo as primeiras 24h em câmara úmida e os demais dias à temperatura fixa de (38 ± 2)ºC, em recipiente hermeticamente fechado.

Atividade pozolânica com a cal

A NBR 5751 preconiza a utilização dos materiais na proporção 1:2:9 (cimento, cal, areia), a seguir, correspondentes às quantidades calculadas para a moldagem dos 03 corpos de prova:

• Cal hidratada: 1 → 104g.

• Areia normal: 9 → 234g de cada fração das malhas 15, 30, 60 e 120µm - 936g.

• Material pozolânico: igual ao dobro de volume da cal hidratada.

em que δ_poz e δ_cal representam as massas específicas do material pozolânico e da cal, respectivamente.

Obtiveram-se os quantitativos Q_LC = 258,37g e Q_LV = 265,83g (quantidades em massa do resíduo de lã cerâmica e lã de vidro), sendo as massas específicas dos resíduos iguais a 2,77 e 2,89 g/cm³, lã cerâmica e lã de vidro, respectivamente.

• Água: quantidade correspondente ao índice de consistência obtido no ensaio na mesa de abatimento de (225±5)mm (NBR 7215).

Atividade pozolânica com o cimento

Segundo a NBR 5752, a investigação de atividade pozolânica com o cimento é feita a partir de 02 argamassas, nos traço 1:3:0,48 (sendo uma de referência A, e outra de referência B, com 35% de seu volume absoluto substituído - vide Equação 2, pelo material pozolânico:

em que ρ_poz e ρ_cim são as massas específicas do material pozolânico e cimento, respectivamente.

Dessa forma, definiram-se as quantidades, conforme Tabela 4. Após garantir-se a constância de peso dos resíduos, iniciou-se a avaliação de consistência a partir da quantidade de 150g de água (0,48 no traço de referência).

3. Resultados e discussão

No processamento dos resíduos (moagem), os diâmetros médios obtidos dos resíduos pulverizados foram da ordem de 30,79µm e 30,38µm, para a lã cerâmica e lã de vidro, respectivamente, Parâmetros dimensionais são apresentados na Tabela 5.

Os índices de finura para os resíduos de lã cerâmica e lã de vidro obtidos foram 25,72 e 14,20%, respectivamente, atendendo à seguinte exigência normativa: < 34% (NBR 12653).

As composições químicas da cal e dos resíduos obtidas constam nas Tabelas 6 e 7. Na composição química dos resíduos, observam-se, para a lã de vidro, teores expressivos de sílica e alumina, mas destacam-se, também, altos teores dos óxidos de ferro, de cálcio e de magnésio. Para a lã cerâmica, além dos expressivos teores de sílica e alumina, o teor de zircônia (15,9%) configura a fibra de origem como do tipo H (BRASCOTERM, 2009).

A microscopia eletrônica de varredura revelou, para ambos os resíduos, grãos no formato de bastonetes alongados, quase aciculares (Figuras 1 e 2), bem diferentes da estrutura flocular da cal e do cimento. Essa diferença pode dificultar sua adição às matrizes cerâmicas de cimento Portland. Os quantitativos parciais obtidos (Tabela 8 e 9), através do microanalisador EDS, ratificaram, com certa aproximação, a composição química determinada a partir do espectrofotômetro ICP-AES.

Pela difração de raios X, conforme Figuras 3 e 4, obteve-se estado amorfo para o resíduo de lã de vidro, ratificando registros anteriores (BORGES, 2007), e foi obtida estrutura cristalina para a lã cerâmica, na qual se identificaram as fases mulita, hematita, goetita e zircolonita.

Chegou-se à quantidade de água necessária conforme resultados apresentados na Tabela 10. Tem-se que a água requerida não pode ter índices superiores a 115% (NBR 12653), valores que foram observados em todos os ensaios.

Respeitados os tempos de cura para a cal e para os cimentos, obtiveram-se os resultados para a resistência à compressão simples, segundo as Tabelas 11 e 12, e os correspondentes índices de atividade pozolânica.

Observa-se que, para a avaliação da atividade pozolânica com a cal, não se atingiu a resistência 6,0 MPa, previsto em norma, e os valores obtidos ficaram muito abaixo (0,4MPa). Também, para os cimentos, para nenhum dos tipos, atingiu-se o índice normativo de 75% (Tabela 9), embora tenham sido obtidos valores da ordem de 60%. O melhor resultado observou-se para o CP II E32, com percentuais de 62% para os resíduos de lã cerâmica e 59% para os de lã de vidro.

4. Conclusão

Os resíduos de lã cerâmica e lã de vidro atenderam as exigências normativas da atividade pozolânica no que se refere ao índice de finura, à água requerida e composição química, mas não apresentaram índices satisfatórios de atividade pozolânica, nem com a cal, nem com o cimento.

Contudo, para se verificar um efeito pozolânico real, ou em outras palavras, para se avaliar a variação efetiva em termos de resistência mecânica, principalmente no que se refere à atividade pozolânica com o cimento, com o qual se obtiveram valores mais próximos ao índice percentual de referência, há que se verificar essa resistência em ensaios de argamassas normalizadas em períodos de cura maiores, como, por exemplo, 63 e 91 dias, ou maiores, pois o efeito pozolânico se desenvolve ao longo do tempo. Pode-se alcançar algum resultado que justifique a utilização desses resíduos incorporados em concretos e argamassas, com valores de resistência mecânica próximos aos de referência, os quais possam recomendar sua aplicação ainda que em usos menos nobres.

5. Referências bibliográficas

Artigo recebido em 05 de outubro de 2010.

Aprovado em 05 de setembro de 2011.

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• ____ NBR 5751 - Materiais pozolânicos - determinação de atividade pozolânica - índice de atividade pozolânica com a cal 1992.
• ____ NBR 5752. Materiais pozolânicos - determinação de atividade pozolânica com cimento Portland - Índice de atividade pozolânica com o cimento 1992
• ____ NBR 7215 - Cimento Portland - determinação da resistência à compressão 1996.
• ____ NBR 10004 – Resíduos Sólidos - classificação Rio de Janeiro. 2004.
• ____ NBR 12653 - Materiais pozolânicos 1992.
• ____ NBR 12826 - Cimento Portland e outros materiais em pó - determinação do índice de finura por meio de peneirador aerodinâmico - método de ensaio 1993.
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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  27 Abr 2012
• Data do Fascículo
  Mar 2012

Histórico

• Recebido
  05 Out 2010
• Aceito
  05 Set 2011