Incorporação de resíduos de vidro moído em argamassas: uma alternativa às cinzas volantes?

Universidade do Minho Escola de Engenharia Klauss Henrique Morais Pontes Incorporação de resíduos de vidro moído em betões: uma alternativa às cinzas volantes? Maio de 2023 Incorporação de resíduos de vidro moído em argamassas: uma alternativa às cinzas volantes? Klauss Henrique Morais Pontes UMinho | 2023 Universidade do Minho Escola de Engenharia Klauss Henrique Morais Pontes Incorporação de resíduos de vidro moído em argamassas: uma alternativa às cinzas volantes? Dissertação de Mestrado em Construção e Reabilitação Sustentáveis Trabalho efetuado sob a orientação do(a) Professor Doutor Aires Camões Doutora Raphaele Lira Meireles Castro Malheiro Maio de 2023 i DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicado. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositórioUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial-SemDerivações CC BY-NC-ND https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ii AGRADECIMENTOS Agradeço a Deus, que me sustentou, me guiou, orientou até à conclusão deste trabalho. Somente através dele, tive a oportunidade de estar na Universidade do Minho estudando tão necessário tema para a engenharia civil e a sustentabilidade no uso dos materiais de contrução. Agradeço à equipa de engenheiros composta pelo Professor Dr. Eng. Aires Camões, meu orientador, que esteve sempre disposto a ajudar e a balizar o desenvolvimento do trabalho e os questionamentos teóricos que surgiam; pela Dra. Eng. Raphaele Malheiro, coorientadora, sempre disposta a ajudar e aconselhar na estrutura da dissertação, realizando as correções parciais; pelo técnico do laboratório de materiais, Eng. Carlos Jesus, que foi meu orientador nos trabalhos laboratoriais e com quem fiz todos os trabalhos de moagem do vidro, caracterização de materiais, testes e aquisição de suprimentos, bem como a maior parte das discussões teóricas, e viabilização de equipamentos, utilizando sua experiência superior a 25 anos no Laboratório de Materiais de Construção; pelo Eng. Jia Zhyong que muito nos ajudou nas misturas, na preparação de materiais e moldes e apoio em geral. Agradeço à colaboração do Eng. Carlos Palha que gentilmente sempre esteve disponível. Agradeço com muito apreço o auxílio do Professor Dr. Eng. Manuel Ribeiro que nos apoiou no Instituo Politécnico de Viana do Castelo (IPVC) com o laboratório local, assim como com sua profunda expertise em análise microestrutural e grande conhecimento da química do cimento. E destaco profunda gratidão e admiração pelo conhecimento e presteza da Dra. Élia Fernandes, Técnica Superior do IPVC, quem além de muito nos ajudar nos ensaios, representava um apoio fundamental nos questionamentos químicos, portadora de um conhecimento admirável. Agradeço aos meus pais que, com seus esforços, viabilizaram minha construção acadêmica, pessoal e profissional. À minha namorada e sogra que me acompanharam ao longo do processo. À minha irmã, cunhado e sobrinhos pelo suporte familiar. Agradeço aos meus colegas de mestrado que, com o alto nível da turma, me elevaram como profissional. E, por fim, agradeço ao Professor Dr. Luís Bragança e aos professores do primeiro ano pela generosidade na troca de conhecimento e pela excelente gestão no ensino acadêmico. iii DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. iv RESUMO O cenário global atual é de grande preocupação com o aquecimento global e seus efeitos, bem como com a insustentabilidade do mundo. No intuito de diminuir as emissões de carbono e gases de efeito estufa, a Comissão Europeia tomou uma série de medidas com prazos estabelecidos. Uma das medidas é o encerramento de todas as usinas termoelétricas da Europa até 2030. Com esta medida, a oferta de cinzas volantes, originada de resíduos destas da queima do carvão nestas usinas, terá extrema redução, suscitando estudos que analisem materiais alternativos. Neste estudo, visou-se substituir parcialmente, em volume, o cimento usado em argamassas, pela percentagem de 25% de pó de vidro, mesma percentagem normalizada para incorporação de cinzas volantes para ser possível fazer uma comparação direta. Considerando que essa substituição reduz em 25% o uso do cimento, um dos materiais líderes em emissões de CO2 no mundo. Neste trabalho, o principal interesse é de analisar o impacto de substituições parciais do cimento por pó de vidro em diferentes percentagens no comportamento mecânico das argamassas resultantes. Estas argamassas serão comparadas às argamassas com cinzas volantes no sentido de investigar o potencial do pó de vidro como substituto destas cinzas em materiais cimentícios. Os resultados apresentados apontam para um comportamento mecânico satisfatório para as argamassas com pó de vidro. Quando comparadas as argamassas com cinzas volantes, considerando as mesmas percentagens de substituição e sob as mesmas condições de ensaio, estas argamassas apresentaram resistências maiores que as argamassas com cinzas volantes. No que diz respeito à sua pozolanicidade, os resultados foram muito satisfatórios, mesmo em teores de substituição superiores a 25%. Palavras-chave: Pó de vidro, cinzas volantes, resíduos, argamassas, sustentabilidade v ABSTRACT The current global scenario is one of great concern with global warming and its effects, as well as with the unsustainability of the world. In order to reduce carbon emissions and greenhouse gases, the European Commission has taken a series of measures with established deadlines. One of the measures is the closure of all thermoelectric power plants in Europe by 2030. With this measure, the supply of fly ash, originating from residues of coal burning in these plants, will have an extreme reduction, prompting studies that analyze alternative materials. In this study, the aim was to partially replace, in volume, the cement used in mortars, by the percentage of 25% of glass powder, the same percentage normalized for the incorporation of fly ash in order to be able to make a direct comparison. Considering that this replacement reduces the use of cement by 25%, one of the leading materials in CO2 emissions in the world. In this work, the main interest is to analyze the impact of partial replacements of cement by glass powder in different percentages on the mechanical behavior of the resulting mortars. These mortars will be compared to mortars with fly ash in order to investigate the potential of glass powder as a substitute for this ash in cementitious materials. The presented results point to a satisfactory mechanical behavior for mortars with glass powder. When comparing mortars with fly ash, considering the same replacement percentages and under the same test conditions, these mortars showed greater resistance than mortars with fly ash. With regard to its pozzolanicity, the results were very satisfactory, even at substitution levels greater than 25%. Keywords: Glass powder, fly ash, waste, mortar, sustainability xii ÍNDICE DE QUADROS Quadro 2.1 - Composição química do clínquer no cimento Portland seco [21] ........................... 9 Quadro 2.2 - Produtos do Cimento Hidratado [21] .............................................................................. 10 Quadro 2.3 - Composição química das cinzas volantes [1] ................................................................ 11 Quadro 2.4 - Dosagem mínima de ligante para betões com e sem cinzas volantes [26] ........ 12 Quadro 2.5 - Composição química dos vidros sodo-cálcicos [33] ................................................... 15 Quadro 2.6 - Adições químicas para coloração do vidro sodo-cálcico [33]................................. 16 Quadro 2.7 - Cinzas Volantes x Pó de Vidro sodo cálcico ................................................................... 19 Quadro 3.1 – Dados relativamente ao CEM I 42.5 R dos ensaios físicos obtidos no laboratório ................................................................................................................................................................................... 25 Quadro 3.2 – Dados dos ensaios mecânicos da ficha técnica da Secil [20] .................................. 25 Quadro 3.3 – Composição química do cimento e das cinzas volantes ........................................... 27 Quadro 3.4 - Massas volúmicas CEM I 42,5 R e Cinzas Volantes ..................................................... 27 Quadro 3.5 - Composição química (%) da areia fina [46] .................................................................. 28 Quadro 3.6 - Caracterização granulométrica da areia utilizada ...................................................... 28 Quadro 3.7 - Distribuição de quantidade de materiais (kg) em 1 m³ de argamassa ............... 32 Quadro 3.8 - Ficha técnica areia normalizada conforme EN 196-1[50] ....................................... 33 Quadro 3.9 - Resumo do refinamento da moagem do vidro ............................................................. 36 Quadro 3.10 – Dimensionamento, em gramas, das misturas de argamassas ............................. 37 Quadro 4.1 - Percentagem de passados no peneiro de 63 µm ......................................................... 41 Quadro 4.2 - Resistência à compressão dos provetes com pó de vidro verde aos 28 dias.... 45 Quadro 4.3 - Resistências à compressão dos provetes de vidro branco aos 28 dias ............... 46 Quadro 4.4 - Resistências à compressão dos provetes de vidro âmbar aos 28 dias ................ 47 Quadro 4.5 – Comparativo entre os grãos de pó de vidro, cinzas volantes e cimento ............ 49 xiii Quadro 4.6 – Valores do espalhamento dos diferentes tipos de argamassas do estudo ........ 50 Quadro 4.7 – Densidade aparente (DA) e dos provetes com 28 e 90 dias de idade ................. 54 xiv ACRÓNIMOS E NOMENCLATURAS Al2O2 - Óxido de alumínio ou alumina ASTM - American Society for Testing and Materials A/L - Razão água/ligante B2O3− Trióxido de Boro CaO – Oxido de Cálcio CO2 – Dióxido de Carbono Cr2O3− Óxido de Cromo (III) Fe2O3 – Óxido de Ferro (III) kg – Quilograma K2O – Óxido de Potássio LMC – Laboratório de Materiais de Construção LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil m – Metro MgO – Óxido de Magnésio mm – Milímetro MPa – Mega Pascal NaOH - Hidróxido de sódio Na2O – Óxido de Sódio PbO − Monóxido de Chumbo RAS – Reação álcalis-sílica SiO2 – Dióxido de silício (Sílica) SO3 – Trióxido de Enxofre UE – União Europeia xv μm – Micrómetro °C – graus Celsius CaCO3 – Carbonato de cálcio GEE – Gases com Efeito de Estufa Capítulo 1 - Introdução 1 1 INTRODUÇÃO 1.1 MOTIVAÇÃO Em Portugal, o betão com cinzas volantes é amplamente utilizado na construção. Com a abrupta redução na disponibilidade deste material, visto o encerramento das usinas termoelétricas no país, a de Sines em janeiro de 2021 e a de Pego em novembro de 2021[1], devido ao contexto ambiental em que medidas governamentais estabeleceram ações que visam a redução das emissões de CO2, a ser explicado a seguir, visa-se dar um passo inicial na utilização de pó de vidro em alternativa às cinzas volantes, analisando superficialmente o potencial de produção do pó de vidro para este fim, a viabilidade técnica através da análise comparativa entre as características mecânicas do pó de vidro e das cinzas volantes, uma vez que as cinzas conferem características benéficas e peculiares em sua utilização [2]. O vidro mostra-se viável em termos quantitativos para substituição das cinzas volantes, visto as produções de cinzas volantes pelas usinas de Sines e Pego que eram de cerca de 500 mil toneladas por ano[1]. Portugal tem reciclado cerca de 350 mil toneladas de vidro por ano, correspondente a cerca de 56% do vidro produzido [3]. O potencial de recolha para reciclagem do vidro é de aproximadamente 625 mil toneladas, apresentando-se como material quantitativamente viável. Esta dissertação de mestrado foi desenvolvida no âmbito do projeto GlassCON “Incorporação de resíduos de vidro moído em betões: uma alternativa às cinzas volantes?", que se encontra em desenvolvimento no Centro de Território, Ambiente e Construção (CTAC) da Universidade do Minho. O projeto GlassCON foca-se na busca de uma alternativa, tecnicamente viável e ambientalmente favorável, para substituição das cinzas volantes em misturas de betão. 1.2 CONTEXTO GERAL 1.2.1 Efeito de Estufa A média da temperatura global anual está em crescimento. O Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)[4] prevê um aquecimento maior que 1,5 graus Celsius até 2030 e 2,6 a 4,8 graus Celsius, em comparação com o período pré-industrial, como pode ser observado Capítulo 1 - Introdução 2 na Figura 1.1[5]. Desde a década de 70 do século passado que os cientistas têm alertado, com preocupação, acerca da influência humana nesse processo, apesar do aquecimento global por emissões de CO2 ter tido seu primeiro cálculo publicado no final do século XIX por Arrhenius [6]. Apesar do efeito estufa ser um fenômeno natural, ao qual os gases do efeito de estufa (GEE) acumulam-se na atmosfera terrestre impedindo a dispersão da radiação infravermelha, a contribuição humana intensifica este mecanismo, contribuindo significativamente para o aquecimento global. A queima de combustíveis fósseis é apontada como a grande fonte desta contribuição no atendimento às demandas energéticas. Na Figura 1.2 é possível ter um panorama do contributo de cada país da União Europeia na emissão dos GEE em 2019 sendo o maior emissõr mundial, estando atrás dos EUA e China [7]. a) b) Figura 1.1 – Evolução da temperatura entre 1880 e 2012, a); Previsão da evolução da temperatura Global Até 2100, b) [8] Figura 1.2 – Contributo por país da UE nas emissões de GEE em 2019[7] Capítulo 1 - Introdução 3 Diversos encontros mundiais e acordos foram realizados com metas de descarbonização e redução do ritmo de aquecimento, como em destaque, a Eco 92, o Tratado de Kyoto e o acordo de Paris. 1.2.2 Impacto das Construções no Ambiente O aquecimento global vem sendo observado desde o século XIX. No entanto, somente em 1992, na conhecida “Eco 92”, as nações admitiram oficialmente a influência humana no agravamento crescente do aquecimento global. As construções geram grande impacto ambiental no lançamento de GEE na atmosfera, sendo responsável por aproximadamente 38% das emissões de CO2 [9], bem como na extração de recursos, na demanda energética e na geração de resíduos. Ao considerar o contexto global, somando a construção e a utilização dos edifícios, a contribuição é de cerca de 40% [5]. As emissões ocorrem na produção dos materiais de construção, no transporte, na construção, na demolição, na reabilitação e na utilização do edificado. Nas Figuras 1.3 e 1.4 observa-se a distribuição da demanda energética e das emissões de CO2 no mundo por sector, em gráficos do Relatório do Status Global da ONU de 2017. Figura 1.3 – Exigência energética por sector no mundo[10] Capítulo 1 - Introdução 4 Figura 1.4 – Emissões de CO2 por sector no mundo[10] Aproximadamente metade das matérias-primas extraídas do solo possuem o setor construtivo como destino e tanto a atividade construtiva como de demolição são os maiores geradores de resíduos[11]. 1.2.3 Pacto Ecológico Europeu (Green Deal) O crescimento sócioeconômico é inevitável e é impossível controlar a oferta energética a quem demanda energia. No entanto, tornar essa demanda mínima possível para o mesmo número de empreendimentos, é criar uma relação de sustentabilidade e eficiência. Neste sentido, atualmente, a descarbonização da Europa tornou-se prioridade para o governo e, com o Pacto Ecológico Europeu (Figura 1.5), a Comissão Europeia estabeleceu ousadas metas para atingir o objetivo totalmente até o ano de 2050. Para obter êxito, o plano prevê investimento em tecnologias limpas, apoio às inovações industriais, tornar os edifícios mais eficientes energeticamente com a utilização de fontes renováveis e limpas de energia e melhoria da envolvente dos edifícios, também a melhoria das normas ambientais e mobilidade urbana com transportes mais limpos e incentivo ao uso coletivo. O setor de edifícios é considerado chave para o plano pela alta demanda energética mencionada no item 1.2.2. No setor de fornecimento de energia elétrica, está previsto o fecho de todas as centrais à carvão da União Europeia até 2030. Com isso, reduzirá demasiadamente a oferta de cinzas volantes para adicionar ao clínquer (durante o processo Capítulo 1 - Introdução 5 de produção do cimento) e ao betão. Há algum tempo que estudos foram iniciados para avaliar o comportamento do vidro moído em produtos cimentícios como o betão e a argamassa, variando, principalmente, a granulometria e as composições. Apesar destes estudos, há uma grande lacuna a preencher no que diz respeito à possibilidade de substituir as cinzas volantes por pó de vidro na produção de materiais cimentícios. Figura 1.5 – Objetivos do Pacto Ecológico Europeu 1.2.4 Impactos da Utilização do Cimento Portland Para produzir o clínquer, principal matéria-prima do cimento Portland, demanda-se muita energia em fornos que o entregam a mais de 1.400 graus Celsius, liberando na atmosfera gases resultantes desta queima, principalmente o dióxido de carbono que é resultante da descarbonização do calcário como demonstrada na equação química eq. 1, e representa mais de 99% dessa massa de gases poluentes produzidos [12,13]. CaCO3 → CaO + CO2 (eq.1.1) A contribuição da produção de clínquer para emissão de dióxido de carbono à atmosfera é relevante, e representa aproximadamente 8% das emissões de CO2 de todo o mundo na queima de combustíveis fósseis [14]. A razão emissora de tonelada de CO2 por tonelada de clínquer produzida é de 0,579, segundo estudo de eco-eficiência feito por Torgal [15], ou seja, mais da metade na reação química. A indústria do cimento Portland é apresentada como Capítulo 1 - Introdução 6 a segunda ou terceira maior emissora de GEE no mundo em relatórios do aquecimento global. Com o encerramento de centrais térmicas geradoras de energia e a demanda crescente de cimento Portland, prevista para a ordem de 5.000 milhões de toneladas por ano nos próximos 10 anos, a produção de cimento deve passar a liderar as emissões de CO2 no mundo entre os materiais que são produzidos[16]. No entanto, inovações tecnológicas têm sido empregadas no setor como adições ao cimento que conferem redução de teor de clínquer e propriedades benéficas à resistência do material. 1.3 OBJETIVOS DA PESQUISA 1.3.1 Objetivo Geral Tendo em conta o encerramento das centrais termoelétricas portuguesas e a consequente necessidade de encontrar, com urgência, um substituto para as cinzas volantes frequentemente incorporadas no betão produzido no país e no mundo, este trabalho pretende avaliar o potencial de utilização do resíduo de vidro moído como substituto do cimento, em alternativa às cinzas volantes. 1.3.2 Objetivos específicos Para atender o objetivo geral desta pesquisa, estabeleceram-se os objetivos específicos discriminados abaixo: I) Identificar tempo ideal de moagem e relacionar à finura otimizada do vidro para incorporação em argamassas; II) Selecionar a cor de vidro a utilizar, entre as 3 cores mais correntes (âmbar, verde e branco) através dos testes de resistência e comparação com outras pesquisas; III) Fazer comparações diretas entre argamassa sem adições, que será utilizada como referência, incorporações de 25% e 35% de cinzas volantes e incorporações de 5%, 15%, 25%, 35%, 50%, 70% e 95% de pó de vidro quanto à resistência à compressão e quanto à pozolanicidade; Capítulo 2 – Estado do conhecimento 13 Outra forma de evitar a etringita tardia é um teor menor de aluminato de cálcio. De acordo com a classificação da NP EN 197-1:2012 [18], em Portugal, os cimentos CEM IV resistentes a sulfatos são adicionados de cinzas volantes e possuem teor menor que 9% de aluminato tricálcico. O uso das cinzas volantes no betão em Portugal é regulado pelo LNEC através da especificação E 464 a permitir a substituição em parte volumétrica do cimento dos tipos CEM I ou CEM II/A [26]. As dosagens podem ser observadas no Quadro 2.4. 2.2 VIDRO 2.2.1 Produção, Reciclagem e Disponibilidade O vidro sodo cálcico é o vidro utilizado para a produção de garrafas e será também utilizado para a produção do pó de vidro, utilizado nesta pesquisa. É feito a partir de areia com alto teor de SiO2, Na2CO3 , que é material fundente, para reduzir o ponto de fusão da areia de cerca de 1710 graus Celsius para cerca de 1500 graus Celsius, e CaO [27]. No processo original de produção, para fabricar 1 tonelada de vidro de garrafas ou copos, consome-se 1,2 toneladas de matéria-prima [28]. No processo de reciclagem, para produzir 1 tonelada de vidro, consome-se 1 tonelada de vidro reciclável e menos energia para atingir o ponto de fusão do material. É conhecido como material de reciclagem teoricamente infinita, a poupar energia no fabrico original e a gerar rotatividade no consumo como pode ser visto na Figura 2.3. Neste sentido, a coleta do vidro reciclável é diferenciada. Em Portugal, a recolha deste material, as embalagens de vidro, é feita em coletores informalmente conhecidos como “vidrões”. Mesmo assim, nas centrais de reciclagem é feita uma triagem para separar o vidro de outros materiais como papéis de rótulos, alumínio e até mesmo lixo indiferenciado. Após a triagem, há uma máquina na central de reciclagem que possui uma esteira onde o material vítreo é depositado de forma bem espalhada e scanners identificam as cores do vidro e com sopros de ar comprimido, separam o material. Em apenas uma central de reciclagem visitada no distrito do Porto, fora informado que se produzia 300 toneladas de resíduo de vidro por mês. Capítulo 2 – Estado do conhecimento 14 Em Portugal, de acordo com a Sociedade Ponto Verde, refere que foi feita a recolha de 346.327 toneladas de vidro em uma razão de reciclagem/produção de vidro de 0,56, no ano de 2022 [3]. Figura 2.3 - Ciclo infinito do Vidro[29] 2.2.2 Tipos de Vidro Há diversos tipos de vidro com diferentes estruturas e composições químicas, para diferentes finalidades como, por exemplo, vidro laminado, temperado e cristal. O vidro borossilicato é um vidro resistente aos químicos e com baixo coeficiente de expansão sendo utilizado em recipientes farmacêuticos e toda utilização que necessite resistência às elevadas temperaturas [30]. O vidro de chumbo é denso e bastante refrativo e tem por finalidade a proteção da radiação [30]. É utilizado em utensílios domésticos como taças, decantadores, copos e demais peças de cristal [31]. O sodo-cálcico é a composição mais comum, incluindo sílica da areia siliciosa, cal viva e carbonato de sódio. Usado para produzir as garrafas de bebidas em geral, e o material utilizado neste estudo [31]. Capítulo 2 – Estado do conhecimento 15 2.2.3 Vidro de Garrafas (vidro sodo-cálcico) Os vasilhames vítreos são produzidos em diversas cores, sendo as mais correntes a verde, âmbar e branca (Figura 2.4). Figura 2.4 - Garrafas de vidro sodo-cálcico [32] Possuem composições diferentes de outros materiais como ecrãs, vidro de automóvel e outros como mencionado no item anterior. A composição química é semelhante entre as diferentes cores produzidas, sendo apresentado no Quadro 2.5 a composição geral das garrafas, onde “outros” são consideradas adições diversas para diferentes fins de coloração e possível proteção de conteúdo como é o caso das garrafas de vinho. É possível observar que os principais componentes são SiO2 e Na2O, que são fundamentais na formação de CSH como explicado no item 2.1.2, e o teor de Al2O3 é baixo, não aumentando a quantidade desse componente já presente no cimento e responsável pela formação de etringitas, reduzindo o risco de etringitas tardias na exposição aos iões sulfatos exógenos. Quadro 2.5 - Composição química dos vidros sodo-cálcicos [33] Vidro Sodo-Cálcicos Composição química (%) 𝐒𝐢𝐎𝟐 Al2O3 Na2O CaO MgO K2O Outros Embalagem 72 2 12,5 11 1,5 1 ------- Capítulo 2 – Estado do conhecimento 16 No Quadro 2.6, a título de curiosidade, observa-se as adições químicas de baixo teor para gerar as diferentes cores no vidro sodo-cálcico, mas que não geram nenhum produto químico em teor relevante. Sobre os vidros mais comuns, pode-se dizer que os vidros verde e marrom são produzidos com adição de óxido de ferro, o âmbar escuro com óxidos de manganês, o âmbar, marrom, com óxidos de carbono e compostos de enxofre e o branco com óxido de antimônio e compostos de estanho para garantir a homogeneidade frente às impurezas presentes na areia a ser fundida [33]. Percebe-se que o autor expõe uma paleta de cores pormenorizada por se tratar de uma pesquisa específica no fabrico de vidros. Para esta pesquisa serão adotadas as nomenclaturas correntes em outras pesquisas como as referenciadas neste trabalho, verde, âmbar e branco[1,34]. Quadro 2.6 - Adições químicas para coloração do vidro sodo-cálcico [33] Componentes Cores Óxidos de ferro Verde e marrom Óxidos de manganês Âmbar escuro, ametista, incolor Óxido de cobalto Azul escuro Cloreto de ouro Vermelho rubi Compostos de selênio Tons vermelhos Óxidos de carbono Âmbar, marrom Mistura de manganês, cobalto e ferro Negro Óxidos de antimônio Branco Óxidos de urânio Verde amarelado (brilha no escuro) Compostos de enxofre Âmbar, marrom Compostos de cobre Azul claro, vermelho Compostos de estanho Branco Chumbo com antimônio Amarelo Capítulo 2 – Estado do conhecimento 17 2.2.4 O Pó de Vidro Como Alternativa às Cinzas Volantes O vidro é um material silicioso, tal qual é a cinza volante, e, da mesma forma que as cinzas podem ser utilizadas com função de fíler, ocupando espaços vazios, também podem ser utilizadas como substituição do teor de clínquer, gerando posterior comportamento pozolânico como dito no item 2.2.2 na formação de CSH extra. No entanto, uma diferença importante entre as cinzas volantes e o vidro sodo-cálcico é o baixo teor de aluminato de cálcio e ferroaluminato de cálcio, pois como também visto em 2.2.2, os iões sulfatos exógenos tendem a formar etringitas posteriores justamente com esses componentes que se formam ao se combinarem com CaO. As cinzas possuem alto teor de alumina e ferrite, maiores que o cimento, como apresentado anteriormente no Quadro 2.3. Os estudos com a adição de vidro ao cimento possuem o objetivo de identificar comportamento semelhante, a diferenciarem-se pela granulometria do grão, visto que quanto maior seu diâmetro médio, será testado como agregado [35], e quanto mais fino, será testado quanto à sua reatividade, principalmente. No entanto, partículas de vidro acima de 75 µm geram risco de reação álcalisílica como indicam alguns estudos [34,36]. As cinzas volantes que são filtradas nas centrais termoelétricas e que são utilizadas como adição ao cimento, possuem diâmetro médio entre 7 a 12µm [1] e superfície específica entre 250 a 550 m2 /kg [37]. Para substituição de teor de cimento é importante que o material a substituir possua comportamento semelhante ao do substituído, portanto há de ser um material com reatividade semelhante, e composição química semelhante. No caso desta pesquisa, o pó de vidro e as cinzas volantes de classe F (baixo teor de CaO). 2.2.5 Principais diferenças entre o vidro moído e as cinzas volantes A principal diferença entre o vidro moído e as cinzas volantes é referente à sua geometria como pode ser visto na Figura 2.5 e na Figura 2.6 em fotografias retiradas de microscópio eletrônico. A geometria destes materiais exercem importante influência na trabalhabilidade das argamassas e betões e no efeito “packing” e de rolamento. Para tornar esta influência mais clara, pode-se imaginar o espalhamento e acondicionamento de 1 m³ de bolas de futebol (semelhante às cinzas, Figura 2.6) e 1 m3 de pedaços de casca de tronco de árvore, Capítulo 2 – Estado do conhecimento 18 por exemplo, pois espalhar algo que desliza uniformemente e acondicionar um conjunto de objetos com a mesma geometria é mais fácil. Figura 2.5 - Esferas das cinzas volantes (1.000x de ampliação) [38] Figura 2.6 - Partículas de vidro (400x de ampliação) [39] No entanto, ainda que se assemelhem como materiais siliciosos, possuem algumas diferenças. Quanto à origem, sendo as cinzas provenientes de vulcões ou de resíduos de centrais termoelétricas e o vidro vindo dos conhecidos “vidrões” que são coletores de vidros para reciclagem. Como apresentado anteriormente, o vidro possui ciclo de reciclagem teoricamente infinita, podendo passar pelo processo infinitas vezes. As cinzas são reaproveitamento de resíduo gerado pelas fornalhas das centrais e não possuem o mesmo ciclo que o vidro, já que necessitam da queima de novo carvão mineral para gerar novo resíduo. No Quadro 2.7, podem ser vistas algumas diferenças nas composições químicas das cinzas volantes mais siliciosas e do vidro sodo-cálcico de acordo com suas fontes. No que diz respeito à composição química, as cinzas possuem menor teor de sílica que o vidro, assim como de óxido de sódio (como pode ser visto no Quadro 2.7). Porém, o vidro sodo-cálcico possui menor teor de alumina. Essa condição faz com que se espere maior pozolanicidade do pó de vidro, e é um fator que motiva a pesquisa, a depender da percentagem amorfa que pode ser encontrada no material. A pozolanicidade também está condicionada ao tamanho da partícula por conta da reatividade do material [40]. O baixo teor Capítulo 2 – Estado do conhecimento 19 de alumina desfavorece a formação de aluminato de cálcio e a consequente formação de sulfato aluminato de cálcio, a etringita, como explicado no item 2.1.2. Quadro 2.7 - Cinzas Volantes x Pó de Vidro sodo cálcico Componentes químicos Cinzas Volantes Sines[1] Vidro sodo-cálcico[33] SiO2 (%) 50,0 – 54,0 72,0 Al2O3 (%) 27,0 – 29,0 2,0 Na2O (%) 0,5 – 1,0 12,5 CaO (%) 1,5 – 4,0 11,0 MgO (%) 0,5 – 2,0 1,5 K2O (%) 1,0 1,0 2.3 PANORAMA DAS PESQUISAS COM INCORPORAÇÃO DE VIDRO MOÍDO 2.3.1 Risco da Expansão por Reação Álcali-Sílica (RAS) Como o vidro é um material rico em sílica, e também composto por outros álcalis como óxido de sódio e potássio, existe o risco da RAS. Isto porque, para que ocorra a RAS, basta quantidade suficiente de óxidos alcalinos que são encontrados no pó de vidro, como o dióxido de silício, o óxido de sódio e óxido de potássio, agregados reativos (como é o caso do pó de vidro rico em sílica) e humidade suficiente. Em estudos que utilizaram o pó de vidro como agregado, observou-se a formação do gel expansivo. No entanto, para Kamali e Ghahremaninezhad [36], este efeito pode ser controlado com a adição de material pozolânico, que é o caso do pó de vidro, mas a depender do tamanho de suas partículas. Segundo os autores, o pó de vidro com partículas abaixo dos 50 µm, além de não causarem os danos da RAS ainda protege os produtos cimentíceos da expansão. Isso acontece devido à característica pozolânica do pó de vidro com essa finura. Moreira [1] também realizou ensaio analisando RAS em provetes incorporados com pó de vidro 100% das partículas abaixo dos Capítulo 2 – Estado do conhecimento 20 75 µm e concluiu que não houve o risco, bem como atenuou os efeitos expansivos[1]. Esta dimensão, 75 µm, é corroborada em diversos estudos [1,40,41]. 2.3.2 Influência do tamanho das partículas na reatividade Mirzahosseini [40], constata a influência da finura do pó de vidro na reatividade em materiais cimentícios. Em três gamas diferentes de finura, em µm (0 - 25, 25 – 38, 63 – 75) limitada ao máximo de 75 µm para, também, evitar a reação álcali-sílica, foram feitos diversos ensaios de reatividade e de resistência mecânica aos quais os provetes de maior finura obtiveram melhores resultados. Foi utilizado o vidro verde por possuir mais reatividade que os outros vidros branco e âmbar, segundo o autor, e água destilada. Na Figura 2.7 , apesar de fazer relação com a taxa de hidratação que não está sendo abordada e sendo o único gráfico de resistência à compressão presente no artigo, é possível observar e comparar a influência do tamanho das partículas nas resistências à compressão aos 28 dias, principalmente no intervalo de 0 a 25 µm do pó de vidro verde que alcançou patamares próximos a 50 MPa. Figura 2.7 - Resistências à compressão aos 28 dias de finuras diferentes de Vidro verde (Vv)[40] Na Figura 2.8, observa-se, consequentemente, a influência do tamanho das partículas também no índice de atividade que indica a pozolanicidade da mistura. Capítulo 2 – Estado do conhecimento 21 Figura 2.8 - Índice de Atividade aos 23 graus Celsius [40] 2.3.3 Substituição parcial do cimento por pó de vidro Conforme a bibliografia atual, a maioria dos estudos envolvendo a utilização de resíduo de vidro em materiais cimentícios analisaram o comportamento do vidro moído como agregado [35,39,41,42]. Os estudos relativos à substituição de cimento por teor de pó de vidro documentados na bibliografia foram, em sua maioria, realizados em argamassas [35,39,41,42]. O que foi encontrado em comum foi a viabilidade do uso do material nas duas vertentes, substituição parcial do cimento, apresentando comportamento pozolânico, conferindo proteção aos ataques de sulfatos e também como agregado, apresentando comportamento de fíler, diminuindo a porosidade e aumentando resistências. Apesar disso, ainda há lacunas para preencher no conhecimento sobre a utilização do pó de vidro como substituto parcial do cimento, nomeadamente, sobre a percentagem de substituição. O comportamento mecânico de argamassas com elevadas percentagens de substituição precisa ser melhor explorado. Malheiro et al. [34] estudaram o vidro moído e passado no peneiro de 75 µm com intuito de evitar reação álcali-sílica. Utilizou-se a massa moída passada no peneiro para misturar em argamassas. Substituindo em volume parte do cimento, o pó de vidro foi adicionado às argamassas que produziram provetes cúbicos de aresta de 20mm. A escolha deste tamanho de provete foi devida à demora na moagem do vidro, ensejando um refinamento deste processo em novos estudos. No caso deste, utilizou-se um moinho de esferas de aço, conhecido por “Los Angeles” que produziu pó de vidro denominado PV1, e depois, outro Capítulo 2 – Estado do conhecimento 22 moinho de esferas, porém, cerâmicas, para elevar a finura do material e produzir o PV2. O vidro utilizado foi o sodo-cálcico de cor verde. As substituições volumétricas realizadas ao cimento foram de 5%, 15%, 25%, 35% de PV1 e 25% de PV2. A razão água / ligante foi de 0,5. Neste estudo, destacaram-se os provetes com 15% PV1 e 25% PV2 de substituição. Mecanicamente, os provetes até 25% de substituição, ou seja, todos que não sejam com 35% PV1 e 25% PV1, obtiveram resistências à compressão acima dos 30MPa aos 28 dias como mostra a Figura 2.9. A maior substituição com resultado acima dos 30MPa foi a de 25% PV2. Figura 2.9 - Resistências à compressão aos 28 dias (Malheiro et al. 2022 [34]) Quanto à pozolanicidade do material, somente o provete moldado com PV2 obteve índice de atividade acima dos 75% aos 28 dias [23]. Este resultado está de acordo com a literatura que indica o aumento da pozolanicidade de acordo com a elevação da finura [36,40]recordando o refinamento da moagem do PV2 no moinho de esferas cerâmicas. Matos [43] realizou pesquisa semelhante à Malheiro et al. [34] com substituição parcial do cimento por pó de vidro em argamassas[43]. No estudo, a substituição de cimento por pó de vidro foi de 10% e 20%. Também se comparou com provetes incorporados com sílica de fumo a 10%. Concluiu-se a possibilidade da utilização do pó de vidro na substituição de cimento e encontrou-se atividade pozolânica. Foram feitos testes de resistência mecânica de 7, 28, 90 e 180 dias e testes para aferir durabilidade como penetração de iões cloreto, carbonatação, absorção de água por capilaridade, e RAS (Reação Álcali-Sílica). Os provetes com pó de vidro tiveram resistências à compressão menores que os provetes de controlo. No Capítulo 3 – Metodologia 29 Figura 3.3 - Curva granulométrica da areia fina usada na etapa 1 3.3.3 Moagem do vidro na etapa 1 Nesta etapa do trabalho foram utilizadas garrafas de vidro com as seguintes cores: verde, âmbar e branco. O processo de moagem das garrafas de vidro utilizadas para a obtenção do pó de vidro foi executado considerando os itens a seguir: I) Equipamento: este equipamento, tem a finalidade original de desgastar agregados para determinação de resistência à fragmentação conforme NP EN 1097-2:2012 [47], geralmente designado como ensaio de Los Angeles e foi utilizado para moer o vidro estudado (Figura 3.4 e 3.5). Trata-se de um moinho que realiza tombamento do material a ser moído junto às esferas de aço maciço. Possui rotação de 1700 rpm, potência de 750 W e tensão de 220 V. Giro realizado por motor elétrico [48] II) Massa moída: 5 kg por moagem, com garrafas de vidro sendo inseridas inteiras no moinho após limpeza, secagem e pesagem (Figura 3.6); III) Carga abrasiva: 8,411 kg (20 esferas) (Figura 3.7); IV) Ciclo de moagem: 15 minutos; V) Tempo de moagem para cada amostra retirada: 75 minutos; Capítulo 3 – Metodologia 30 VI) Tempo total de moagem por cor de vidro: 825 minutos Figura 3.4 - Moinho Los Angeles com as 20 esferas de aço e 5kg de vidro moído Figura 3.5 - Moinho "Los Angeles" (vista externa) [1] Figura 3.6 - Pesagem da porção a ser moída Figura 3.7 - Pesagem de massa abrasiva 3.3.4 Peneiramento A cada 75 minutos de funcionamento do moinho, foram retiradas amostras de 100g para passar no peneiro de 63 µm (Figuras 3.8 e 3.9) com a finalidade de verificar em gráfico com quanto tempo de moagem a curva representativa da percentagem de passados começaria a estabilizar, ou seja, não se obtendo relevante crescimento no índice, ou seja, quando o gráfico começasse a tender a uma reta. Esta estabilização deu-se com 825 minutos que divididos por Capítulo 3 – Metodologia 31 75 minutos referentes ao período de extração de amostra, resultam em 11 amostras com finuras diferentes. No total, foram 33 amostras, 11 para cada cor de vidro: âmbar, verde e branco. O peneiro de 63 µm foi escolhido porque, como explicado no item 2.3.4, abaixo dos 75 µm elimina-se o risco de RAS e, quanto menor a partícula, maior reatividade. Será feito ensaio de granulometria a laser para verificar diâmetro médio das partículas e auxiliar na determinação do tempo de moagem do vidro com o qual se irá trabalhar. Figura 3.8 – Peneiramento em 63 µm de pó de vidro âmbar de diversas finuras Figura 3.9 - Peneiro de 63 µm com pó de vidro verde 3.3.5 Amassaduras Foram realizadas 11 amassaduras em misturadora automática para cada cor de vidro, totalizando 33 amassaduras. Foi utilizado pó de vidro em substituição de 25% de massa de cimento, com finuras diferentes, correspondentes a diferentes tempos de moagem. Essa substituição foi realizada volumetricamente, ou seja, o volume ocupado por 25% da massa de cimento foi substituído por igual volume de pó de vidro. Portanto, a distribuição do traço volumétrico ficou de 1 parte de cimento, 2 de areia e razão A/L de 0,5 e pode ser vista por 1 m³ no Quadro 3.7. Capítulo 3 – Metodologia 32 Quadro 3.7 - Distribuição de quantidade de materiais (kg) em 1 m³ de argamassa Misturas Percentagem incorporação de residuos (%) CEM I 42.5 R Areia fina Água Cinzas Volantes Resíduo de Vidro Vv Va Vb Ref - 719 1079 360 - - - - CV 25 539 135 - - - Vv 539 - 149 - - Vc 539 - - 149 - Vb 539 - - - 149 3.3.6 Resistência à compressão Para estabelecer o tempo de moagem ideal, foram moldados 6 provetes cúbicos de aresta 20 mm para cada amostra de vidro com finuras diferentes (Figura 3.10) recordando que os provetes numerados com o número 1 possuem pó de vidro com menos tempo de moagem (75 minutos) e, de forma crescente, os provetes possuem pó de vidro mais finos, onde os provetes de número 11 possuem maior tempo de moagem (825 minutos). O intuito não foi de identificar o mais resistente, já que se esperava que a amostra mais fina do vidro traria melhor resultado, mas identificar o menor tempo de moagem que traria resistência à compressão satisfatória, a fim de economizar energia e tempo. Na etapa seguinte, com tempo de moagem e cor de vidro estabelecidos, o ensaio de resistência à compressão será realizado em provetes prismáticos conforme NP EN 196-1:2016[49]. Figura 3.10 – Provetes com diferentes finuras de pó de vidro Capítulo 3 – Metodologia 33 Por se tratar da incorporação de um material com potencial pozolânico, espera-se que os resultados aos 90 dias sejam mais significativos. Contudo, considerando a limitação temporal do trabalho em causa, nesta fase, os provetes foram testados à compressão aos 28 dias. Com os resultados, viabiliza-se a execução da etapa 2. 3.4 ETAPA 2: SUBSTITUIÇÕES DE CIMENTO POR PÓ DE VIDRO E CINZAS VOLANTES 3.4.1 Objetivo Após determinar a cor do vidro a ser trabalhado e tempo de moagem satisfatório, a etapa 2 tem o objetivo de comparar diferentes teores de substituição de cimento por pó de vidro, colocando em comparação, também, provetes com cinzas volantes incorporadas e outros sem nenhuma incorporação, sendo provetes de referência. Comparar quanto à resistência à compressão, espalhamento e pozolanicidade. 3.4.2 Definições obtidas da etapa 1 O pó de vidro a ser utilizado será de cor verde, com tempo de moagem de 675 minutos. Haverá refinamento no processo de moagem com intuito de economizar energia e tornar o pó mais heterogêneo nas fases iniciais de moagem. Os provetes serão moldados em moldes maiores em relação à primeira etapa e rompidos em prensa diferente, conforme pormenorizado nos itens a seguir. 3.4.3 Caracterização do agregado miúdo da etapa 2 A areia utilizada foi a normalizada segundo EN 196-1 [49]. Sua ficha técnica com os parâmetros físicos e químicos podem ser observados no Quadro 3.8. Quadro 3.8 - Ficha técnica areia normalizada conforme EN 196-1[50] Parâmetros Data Pontual Min Máx Densidade aparente (Mg/m³) EN 1097-6 11-nov 2,64 - - Absorção de água (%) EN 1097-6 11-nov 0,2 - - Módulo de finura (%) EN 12620 11-nov - 2,6 2,7 Fluxo(s) de areia EN 933-6 11-nov 28 - Teor de água (%) 17-jan - 0,02 0,07 17-fev - 0,01 0,07 17-mar - 0,03 0,07 Teor de cloreto (ppm) 17-jan - < 50 17-fev - < 50 17-mar - < 50 Teor de sílica (%) 16-jan 98,05 - - Teor de alumina (%) ISO 29581-2 16-jan 0,54 - - Teor de ferrite (%) ISO 29581-2 16-jan 0,07 - - Perda ao fogo 950º C EN 196-2 16-jan 0,16 - - Teor de fosfato (%) ISO 29581-2 16-jan - - - Capítulo 3 – Metodologia 34 3.4.4 Refinamento no processo de moagem dos vidros Com o objetivo de reduzir o tempo de moagem, sem perda das características alcançadas para o pó de vidro, optou-se por otimizar o processo de moagem utilizando, também, o moinho de mandíbulas e o de martelos (Figura 3.11). Como a finura selecionada do pó de vidro foi com 675 minutos de moagem no Los Angeles, decidiu-se fazer uma etapa de prémoagem nesses 2 tipos de moinho desgastadores de agregados, com o objetivo de transformar as garrafas em cacos, tornando mais eficiente a moagem no Los Angeles. Passouse o vidro duas vezes no moinho de mandíbulas, que é originalmente utilizado para desgaste de agregados através de duas placas de aço com mandíbulas que afunilam à jusante e que vibram, e duas vezes no moinho de martelos que possui uma intensidade de desgaste mais fino, visto que martelos giram através do motor central que desgasta o agregado em superfície rugosa. Esses ciclos de pré-moagem, para moer 5 kg de vidro, levam aproximadamente 10 minutos por ciclo nas mandíbulas e um minuto por ciclo nos martelos. É possível visualizar a diferença da dimensão do vidro pré-moído nas mandíbulas por 2 ciclos, antes de ir ao moinho de martelos e ao Los Angeles. Com o procedimento adotado de passar a amostra, primeiro no moinho de mandibulas e posteriormente no moinho de martelos, tornou o processo de moagem no global mais eficaz, isto é, reduzindo significativamente o grão do vidro, como podemos observar nas diferentes curvas no gráfico da Figura 3.12 . Figura 3.11 - Moinho de mandíbulas à esquerda e ao lado direito, o moinho de martelos No final dos dois ciclos de moagem no moinho de mandíbulas, obteve-se um grão medio da partícula de 1,1 mm. Após a passagem de 2 ciclos de moagem no moinho de martelos, após Capítulo 3 – Metodologia 35 passar pelas mandíbulas e antes de ir ao Los Angeles, adquiriu um diâmetro médio próximo de 0,6 mm, havendo uma redução na ordem dos 40 a 50% de um moinho para outro, fazendo com que haja redução de tempo de moagem no L.A e entregando um pó mais homogêneo. Figura 3.12 – Análise granulométrica das moagens realizadas nos moinhos de mandíbulas e martelos Após a pré-moagem, pesou-se o produto desta pré-moagem para que fossem separados 5 kg dessa massa moída, para inserir no Los Angeles. Ao longo, das moagens no Los Angeles, por amostragem, era retirada amostra para passar no peneiro de 63µm com o intuito de identificar com quantos minutos de moagem no Los Angeles, neste processo que inclui a prémoagem, terá a mesma percentagem de passados no mesmo peneiro, aos 675 minutos, no processo da Etapa 1 que excluía a pré-moagem. Ou seja, como na Etapa 1, aos 675 minutos de moagem obteve-se 80% de passados no peneiro, na Etapa 2, com a pré-moagem, se quis identificar com quantos minutos no Los Angeles o pó de vidro verde teria o mesmo índice de 80% de passados. Isto ocorreu aos 555 minutos. Assim, a inclusão da pré-moagem tornou o processo mais eficiente, reduzindo o tempo de moagem em 120 minutos no Los Angeles. O processo final de moagem da etapa 2 ficou composto por 2 ciclos do vidro verde no moinho de mandíbulas, mais 2 ciclos no moinho de martelos, mais 555 minutos no moinho Los Angeles, como pode ser visto no resumo do Quadro 3.9. Capítulo 3 – Metodologia 36 Quadro 3.9 - Resumo do refinamento da moagem do vidro Etapa 1 Etapa 2 Equipamentos Tempo Equipamentos Tempo / Ciclo Los Angeles 675 minutos Mandíbulas 10 minutos/ 2 ciclos Martelos 1 minuto/ 2 ciclos Los Angeles 555 minutos/ 37 ciclos O pó de vidro verde, após o refinamento conforme apresentado no Quadro 3.9, será chamado de “Vvf” quando for reduzido à sigla, que significa pó de vidro final. 3.4.5 Caracterização do pó de vidro A granulometria da massa moída final foi realizada a laser, conforme ISO13320:2020[51]. Os tamanhos das partículas são medidos através da difração do laser bem como sua distribuição. Partículas grandes tendem a gerar uma difração angular pequena do laser e distribuição de tamanho pequeno devida à pequena área de contacto entre as partículas, ou superfície específica pequena. Já as partículas pequenas tendem a gerar ângulos maiores e ampla distribuição do seu tamanho devida à grande área de contacto entre as partículas, ou superfície específica grande. Para caracterização dos materiais, em relação às massas volúmicas reais de cada, foi utilizada a técnica normalizada pela NP EN 1097-6:2004[52] com a utilização de um balão volumétrico e gasolina. Dessa forma, é possível relacionar o volume ocupado por determinada massa do grão no material avaliado. 3.4.6 Amassaduras Nesta etapa, as amassaduras são voltadas a análises mecânicas e químicas de diferentes teores de incorporação do pó de vidro, de uma só cor, e com a finura baseada em um só tempo de moagem, todos definidos pela análise dos resultados da etapa 1 e pormenorizados no capítulo de resultados. Assim sendo, decidiu-se fazer incorporação de 25% e 35% de vidro verde, para haver comparação com substituição normalizada e corrente de cinzas volantes. Para ampliar o Capítulo 3 – Metodologia 37 campo analítico foram também avaliadas as seguintes taxas de substituição: 5%, 15%, 50%, 70% e 95%. Então, totalizou-se em 10 amassaduras, sendo elas: REF (sem incorporação), 25% e 35% de cinzas volantes e 5%, 15%, 25%, 35%, 50%, 70% e 95% de vidro verde final (Vvf) com a finura correspondente ao processo de moagem explicado no item 3.4.4 As composições das misturas para provetes de 40 mm x 40 mm x 160 mm podem ser consultadas no Quadro 3.10. Relembra-se que a contabilização do cimento a substituir foi efetuada em massa. Mas, o volume correspondente à massa de cimento a substituir foi calculado e foi reposto igual volume de cinzas volantes ou vidro verde. É por isso que as massas de Vvf e de CV apresentadas no Quadro 3.10 para 25 e 35% de substituição de cimento não coincidem, uma vez que as massas volúmicas do Vvf e das CV são diferentes. Quadro 3.10 – Dimensionamento, em gramas, das misturas de argamassas Misturas CEM I 42,5 Areia Água CV VVf Ref 450 1350 225 - - 25CV 338 1350 225 85 - 35CV 293 1350 225 119 - 5 Vvf 428 1350 225 - 19 15 Vvf 383 1350 225 - 56 25 Vvf 338 1350 225 - 93 35 Vvf 291 1350 225 - 132 50 Vvf 225 1350 225 - 186 70 Vvf 135 1350 225 - 261 95 Vvf 23 1350 225 - 354 3.4.7 Trabalhabilidade da argamassa no estado fresco (espalhamento) O ensaio de espalhamento foi feito para avaliar a trabalhabilidade da argamassa. Este ensaio é muito útil para determinar se a argamassa será fácil ou difícil de aplicar, ou de moldar. Quanto mais a massa espalhar, significa que mais plástica é a argamassa, observando seu limite de plasticidade para não atingir o limite de liquidez e segregar. Mais fácil de espalhar, de moldar e de manusear. Quanto menor for o espalhamento, mais difícil é de manusear a argamassa, de aplicá-la em cantos, de moldar. Espera-se que a argamassa com substituição parcial de cimento por cinzas volantes seja mais trabalhável que a argamassa de referência Capítulo 3 – Metodologia 38 (não substituída), por já ser um comportamento conhecido e bem estudado na incorporação deste material, já que as cinzas volantes possuem geometria esférica [53]. Diferente das cinzas volantes quanto à geometria, o pó de vidro possui geometria bastante angulada. Por ser moído com bastante finura, espera-se alta superfície específica, maior trabalhabilidade que a referência, mas menor que as argamassas incorporadas com cinzas, por conta da diferença geométrica do grão. Para realizar esse ensaio será utilizado o método descrito na EN 1015-3[54]. A medição final do espalhamento é determinada através de duas medidas perpendiculares entre si, como mostra a Figura 3.13. Figura 3.13 - Medição de espalhamento de argamassa em estado fresco 3.4.8 Resistência à compressão de diferentes teores de incorporação O procedimento a adotar será o mesmo adotado na etapa 1, descrito no item 3.3.6, mas com provetes com diferentes incorporações de pó de vidro, cinzas volantes e sem incorporação, referência. 3.4.9 Índice de Atividade Conforme a NP EN 450-1:2012 [23], com os dados de resistência à compressão, consegue-se calcular indiretamente o índice de atividade pozolânica, definido como a comparação percentual da resistência à compressão do provete desejado (com 25% de substituição do cimento pelo material a estudar) em relação ao provete de referência. No caso desta pesquisa, comparar os provetes incorporados aos de referência, sem incorporação de adições, conforme a equação 3.1 . IA = 𝑓𝑐𝑘 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎𝑙 𝑓𝑐𝑘 𝑟𝑒𝑓. X 100 (eq. 3.1) Capítulo 4 – Apresentação e análise de resultados 45 Quadro 4.2 - Resistência à compressão dos provetes com pó de vidro verde aos 28 dias Tempo de moagem (min) Tensão à compressão (MPa) Desvio padrão (MPa) Coeficiente de Variação (%) Média (MPa) 75 26,73 1,84 6,88% 30,88 150 34,02 1,18 3,48% 225 27,43 1,39 5,07% 300 36,28 2,10 5,80% 375 27,94 2,94 10,52% 450 34,26 1,76 5,14% 525 28,47 2,18 7,64% 600 33,98 2,19 6,44% 675 31,56 3,14 9,97% 750 30,52 3,94 12,92% 825 28,54 2,85 9,97% Figura 4.6 - Tensão à compressão (aos 28 dias) dos provetes com pó de vidro verde e 25% de substituição 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 075 150 225 300 375 450 525 600 675 750 825 Tensão á compressão média (MPa) Tempo de moagem (min) Capítulo 4 – Apresentação e análise de resultados 46 Quadro 4.3 - Resistências à compressão dos provetes de vidro branco aos 28 dias Tempo de moagem (min) Tensão à compressão (MPa) Desvio padrão (MPa) CV (%) Média (MPa) 75 33,66 2,87 8,53% 33,38 150 28,55 1,57 5,49% 225 30,66 4,31 14,07% 300 24,96 2,90 11,62% 375 37,62 3,23 8,59% 450 34,66 0,91 2,64% 525 36,27 4,67 12,87% 600 32,51 2,05 6,32% 675 37,72 2,50 6,62% 750 32,61 3,59 11,00% 825 37,96 0,72 1,90% Figura 4.7 - Tensão à compressão (aos 28 dias) dos provetes com pó de vidro branco e 25% de substituição 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 075 150 225 300 375 450 525 600 675 750 825 Tensão à compressão média (MPa) Tempo de moagem (min.) Vidro branco Capítulo 4 – Apresentação e análise de resultados 47 Quadro 4.4 - Resistências à compressão dos provetes de vidro âmbar aos 28 dias Tempo de moagem (min) Tensão à compressão (MPa) Desvio padrão (MPa) CV (%) Média (MPa) 75 33,62 2,27 6,75% 31,12 150 24,92 2,19 8,79% 225 30,86 2,12 6,88% 300 26,16 0,63 2,41% 375 34,72 1,06 3,05% 450 31,99 2,32 7,25% 525 25,73 1,76 6,85% 600 29,79 2,10 7,05% 675 32,17 2,32 7,22% 750 34,69 1,27 3,67% 825 37,69 2,84 7,54% Figura 4.8 - Tensão à compressão (aos 28 dias) dos provetes com pó de vidro âmbar e 25% de substituição 4.1.3 Conclusão dos estudos preliminares Por tratar-se de fase exploratória para escolha da cor de vidro e finura, observando ligeiro aumento de resistência dos provetes concomitante ao aumento do tempo de moagem, não se encontrou vantagem considerável em moer demasiadamente o vidro. Também, 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 075 150 225 300 375 450 525 600 675 750 825 Tensão à compressão média (MPa) Tempo de moagem (min.) Vidro âmbar Capítulo 4 – Apresentação e análise de resultados 48 encontrou-se certo equilíbrio entre os resultados médios das três cores de vidro. A cor verde fora escolhida por uso corrente na bibliografia [34,36,40,43]. A tendência de crescimento da resistência em relação ao tempo de moagem vai ao encontro das hipóteses iniciais do trabalho e aos resultados encontrados na literatura [34,40]. Neste sentido, e tendo como base os resultados apresentados, optou-se por utilizar o pó de vidro verde com o índice de passados de 79,2% atingido aos 675 minutos de moagem, correspondendo à finura de diâmetro médio de 25,20 µm, para a continuação da pesquisa. 4.2 RESULTADOS DA ETAPA 2 (SUBSTITUIÇÕES) 4.2.1 Caracterização do ligante Após refinamento de moagem e o pó de vidro final definido em todas as suas características foi possível obter a caracterização dos elementos do ligante usados para as misturas que serão incorporadas com pó de vidro e cinzas volantes. No Quadro 4.5 , é possível analisar comparativamente o cimento, as cinzas e o pó de vidro verde final (PVf). Neste quadro, é possível observar que os resultados da granulometria a laser corroboram com a teoria mencionada acima. As curvas granulométricas permitirão a análise de parâmetros como D10, D50 e D90. Uma vez que D50 representa o diâmetro médio das amostras, D10, o diâmetro de 10% e D90 o diâmetro de 90%, possibilita-se algumas análises. Observando o D50 das três amostras, percebemos que o cimento possui o menor tamanho médio. O cimento também possui mais finos em comparação aos outros dois materiais que são similares em seu perfil granulométrico, com índices de grossos e finos parecidos. Entre o pó de vidro verde e o cimento, quem possui o menor grão tem menor superfície específica, ou seja, o cimento. No entanto, comparando o cimento às cinzas volantes, as cinzas com o perfil mais grosso, ainda possui maior superfície específica. Levanta-se a hipótese da geometria do grão que fora mencionada anteriormente neste trabalho, uma vez que as cinzas volantes possuem formato esférico e em sua maior parte, padronizado. Os grãos do cimento possuem formato mais irregular, ora um grão de cimento podendo gerar uma difração angular menor, ora maior a depender da área de contacto com o laser e sob a irregularidade do grão. Capítulo 4 – Apresentação e análise de resultados 49 Fica interessante destacar que, como as cinzas volantes e o pó de vidro entre 600 a 800 kg/m³ a menos que o cimento, quanto maior o teor de substituição, resultará em um betão mais leve. Quadro 4.5 – Comparativo entre os grãos de pó de vidro, cinzas volantes e cimento Propriedades Unid. Vvf Cinzas Volantes CEM I 42,5 R Superfície específica [m²/kg] 480 740 599 Massa volúmica [kg/m³] 2530 2364 3100 D [10] [µm) 4,80 3,53 4,68 D [50] 25,20 24,00 21,90 D [90] 109,00 109,00 54,60 Fora verificado que o diâmetro médio das partículas neste tempo de moagem, 675 minutos, apresentou semelhança com o cimento e as cinzas volantes como é demonstrado no Quadro 4.5. 4.2.2 Comportamento no estado fresco Seguindo a metodologia descrita no capítulo 3, o comportamento no estado fresco das composições desenvolvidas foi avaliado por intermédio da realização do ensaio de espalhamento de acordo com BS EN 1015-3:1999 [54]. Obtiveram-se os resultados para cada incorporação e argamassa de referência, apresentados no Quadro 4.6. Observa-se no Quadro 4.6 que os maiores espalhamentos, como esperado, são das argamassas incorporadas com cinzas volantes (entre 224 mm e 231 mm), devido à sua finura e à sua geometria esférica [38]. No entanto, as argamassas com substituição parcial de cimento por pó de vidro também conferem à argamassa maior trabalhabilidade (entre 215 mm e 223 mm) que a argamassa de referência (208 mm), porém não superam as incorporadas com cinzas volantes. Capítulo 4 – Apresentação e análise de resultados 50 Quadro 4.6 – Valores do espalhamento dos diferentes tipos de argamassas do estudo Misturas Comprimentos (mm) Média L1 L2 REF 210 205 208 25% CV 231 226 229 35% CV 230 224 227 5% Vv 217 216 217 15% Vv 217 215 216 25% Vv 216 217 217 35% Vv 220 216 218 50% Vv 219 222 221 70% Vv 226 223 225 95% Vv 215 223 219 Levanta-se a hipótese da geometria angulosa das partículas de vidro que, quanto menores forem, maior superfície específica apresentará. No entanto, por serem angulosas [36] tendem a fazer menor efeito “packing” que as cinzas volantes, que consiste no encaixe das partículas com redução de vazios entre elas, espalhando menos a argamassa. Adicionalmente, o efeito de rolamento é mais propício nas argamassas com cinzas volantes que, por serem esféricas, possibilitam um rolamento maior das partículas que na argamassa com pó de vidro que possuirão partículas mais angulosas e menos rolantes. 4.2.3 Resistência à compressão no estado endurecido As Figuras 4.9 e 4.10 apresentam os resultados de resistência à compressão aos 28 e 90 dias, respectivamente, para as argamassas de referência, com substituição parcial de cimento por cinzas volantes e por pó de vidro verde (finura D50 = 25,20 µm) em diferentes percentagens. Figura 4.9 - Resistência à compressão dos provetes de argamassa aos 28 dias 53,49 40,63 40,37 53,54 47,09 42,63 36,95 28,68 16,97 2,67 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 REF 25 CV 35 CV 5 Vvf 15 Vvf 25 Vvf 35 Vvf 50 Vvf 70 Vvf 95 Vvf Tensão à compressão 28 d (MPa) Capítulo 4 – Apresentação e análise de resultados 51 No que diz respeito a substituição parcial de cimento por pó de vidro, observa-se uma tendência (quase linear) para redução da resistência à compressão com o aumento desta substituição. Olhando para os extremos, 5% de substituição de cimento por pó de vidro alcança uma resistência, tecnicamente, igual ao provete de referência. Já os 95% de substituição apresenta um valor extremamente baixo, o que impossibilita a sua aplicação inclusive na maioria das situações menos exigentes em engenharia civil. Comparado os resultados obtidos para o pó de vidro e para as cinzas volantes, considerando as mesmas percentagens de substituição e as mesmas condições de ensaio, as argamassas com pó de vidro apresentam um desempenho bastante satisfatório. Considerando 25% de substituição, as argamassas com pó de vidro apresentam valores de resistência à compressão 5% maiores do que as argamassas com cinzas. No caso dos 35% de substituição há uma redução na resistência à compressão, apenas 8% (de considerar que este valor pode ser “absorvido” pelo desvio padrão). As maiores resistências aos 28 dias foram dos provetes de referência e do provete incorporado em 5% de vidro verde, superando a marca de 50 MPa (Figura 4.9). A partir deste ponto, com o provete incorporado resultando em uma resistência maior, colocou-se em questão analisar em estudos futuros o consumo de hidróxido de cálcio para verificar se a pequena diferença, que se encontra dentro de uma margem aceitável de erro, poderia ser resultado de maior formação de CSH, o silicato de cálcio hidratado. No entanto, o que mais chama atenção nestes resultados é que nesta idade, substituição de cimento por 70% de pó de vidro verde alcançou uma resistência à compressão bem próxima dos 20MPa. Então, colocou-se outra questão: qual será o incremento na resistência à compressão destes provetes aos 90 dias de idade, visto que se espera a interação das sílicas amorfas com os hidróxidos de cálcio, diminuindo a porosidade e aumentando a resistência? A Figura 4.10 apresenta os resultados aos 90 dias para todas as argamassas estudadas. Capítulo 4 – Apresentação e análise de resultados 52 Figura 4.10 - Resistência à compressão aos 90 dias A Figura 4.10 mostra que a tendência para redução da resistência à compressão com o aumento da substituição parcial do cimento por pó de vidro, identificada aos 28 dias, permanece aos 90 dias. Porém, chama a atenção que a amostra com o cimento substituído em 70% pelo pó de vidro verde atingiu um aumento de aproximadamente 72% na resistência à compressão. Considerando o facto da amostra só ter 30% do ligante sendo cimento que, como explicado no item de hidratação do cimento, as fases alites e belite, que basicamente são silicatos de cálcio, conferem a resistência ao cimento hidratado, sendo a alite nos primeiros 28 dias e a belite após os 28 dias até 1 ano, levanta-se a hipótese do silicato de cálcio presente no pó de vidro ter consumido o hidróxido de cálcio presente na mistura a ponto de elevar quase ao dobro a resistência à compressão de 28 para 90 dias. A título de comparação, os provetes de referência, sem nenhuma substituição, no mesmo período, tiveram resistência à compressão elevada em aproximadamente 17%. As cinzas volantes, por exemplo, substitutas em 25% do volume de cimento, apresentam aproximadamente 41% de elevação na resistência à compressão de 28 a 90 dias de idade. Quando as cinzas substituem em 35%, apresentam elevação de resistência à compressão de apenas 25% entre os períodos de 28 e 90 dias entre elas mesmas. 62,53 57,13 50,46 60,30 58,41 56,15 51,88 45,63 29,09 1,15 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 REF 25 CV 35 CV 5 Vvf 15 Vvf 25 Vvf 35 Vvf 50 Vvf 70 Vvf 95 Vvf Tensão à compressão 90d (MPa) Capítulo 4 – Apresentação e análise de resultados 53 No entanto, todas as amostras incorporadas, desprezando a com 95% de substituição, apresentaram um índice de elevação na resistência mecânica bastante maiores em comparação às de referência entre os 28 e 90 dias. É sabido que as etringitas são formadas nas primeiras idades, fazendo com que as hipóteses se direcionem à formação de CSH com o silicato de cálcio proveniente das incorporações. É possível observar um desempenho mecânico muito satisfatório, apresentando elevação da resistência de 11 MPa em média, aproximadamente, entre quase todos os provetes com 28 dias e 90 dias de idade. Os provetes de referência tornam-se os mais resistentes, mas os provetes incorporados apresentam maior crescimento na resistência à compressão dos 28 aos 90 dias. Na Figura 4.11, pode-se observar a elevação nas resistências, com exceção dos 95% de substituição por pó de vidro, que apresentou resultado negativo por ser um provete praticamente feito todo de pó de vidro e estar desintegrando-se aos 90 dias. Praticamente todas as amostras com pó de vidro, excluindo-se a 95 Vvf, tiveram elevações maiores que a da referência, com exceção da 5 Vvf, visto que o ligante é praticamente todo composto de cimento. No entanto, comparando as incorporações de 25%, as cinzas volantes tiveram maior crescimento que o pó de vidro, e nas de 35%, o pó de vidro elevou mais sua resistência. Figura 4.11 - Crescimento da resistência à compressão entre 28 dias e 90 dias de idade 53,49 40,63 40,37 53,54 47,09 42,63 36,95 28,68 16,97 62,53 57,13 50,46 60,30 58,41 56,15 51,88 45,63 29,09 9,04 16,50 10,09 6,76 11,32 13,52 14,93 16,95 12,12 10,97 -20,00 0,00 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 REF 25 CV 35 CV 5 Vvf 15 Vvf 25 Vvf 35 Vvf 50 Vvf 70 Vvf 95 Vvf Média Tensão à compressão (MPa) 28d 90d Diferença Capítulo 4 – Apresentação e análise de resultados 54 No Quadro 4.7 pode-se observar uma diminuição na densidade aparente das amostras, sendo as de 28 dias, no geral, mais densas que as de 90 dias, com exceção de algumas amostras semelhantes em densidade como a de 25 CV, por exemplo. Mesmo em provetes com maiores teores de substituição, encontra-se densidades próximas às dos provetes de referência, considerando que a massa volúmica do cimento é na ordem de 3.100 kg/m³ contra as massas volúmicas das cinzas e do pó de vidro em torno de 2.600 kg/m³. Quadro 4.7 – Densidade aparente (DA) e dos provetes com 28 e 90 dias de idade Misturas DA (kg/m³) 28 dias DA (kg/m³) 90 dias REF 2296,67 2288,84 25 CV 2283,09 2284,88 35 CV 2284,37 2266,91 5 Vvf 2294,97 2300,51 15 Vvf 2274,38 2275,57 25 Vvf 2274,48 2275,33 35 Vvf 2260,35 2246,14 50 Vvf 2238,84 2237,60 70 Vvf 2226,70 2186,68 95 Vvf 2156,76 2038,80 4.2.4 Índice de atividade Conforme explicado na metodologia, o índice de atividade visa indicar indiretamente a pozolanicidade de uma mistura com 25% de substituição de cimento. No caso presente, como há diversas percentagens de substituição, compararam-se os provetes incorporados com 25% de substituição de cinzas volantes e pó de vidro em relação aos provetes de referência conforme NP EN 450-1:2012 [23]. No entanto, aproveitaram-se os resultados das outras incorporações para comparação sob mesmo parâmetro, sabendo-se que quanto maior a substituição de cimento, menor a resistência à compressão esperada, não tendo a mesma validade normativa na comparação dos provetes com 25% de substituição. Aos 28 dias de idade, o provete com 25% de substituição deve indicar índice superior aos 75% em relação à referência. Aos 90 dias, 85%. As Figuras 4.12 e 4.13 apresentam os resultados obtidos para os 28 e 90 dias, respetivamente, chamando a atenção para os valores limites indicados acima. Referências 61 [11] L.L. Brasileiro, J.M.E. 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