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UNIVERSIDADE METODISTA DE ANGOLA FACULDADE DE ENGENHARIA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL ANÁLISE COMPARATIVA DO BETÃO CONVENCIONAL E BETÃO COM RESÍDUO DE VIDRO LAMINADO Edmilson Hernani Xavier Pedro – Nº 19544 Hermenegildo dos Santos Andrade Coelho – Nº 16302 Dissertação para obtenção do grau de licenciatura em Engenharia Civil Orientador: Prof. Msc. José Maria Durbalino de Carvalho Luanda, 2019 UNIVERSIDADE METODISTA DE ANGOLA FACULDADE DE ENGENHARIA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL ANÁLISE COMPARATIVA DO BETÃO CONVENCIONAL E BETÃO COM RESÍDUO DE VIDRO LAMINADO Edmilson Hernani Xavier Pedro – Nº 19544 Hermenegildo dos Santos Andrade Coelho – Nº 16302 Dissertação para obtenção do grau de licenciatura em Engenharia Civil Orientador: Prof. Msc. José Maria Durbalino de Carvalho Luanda, 2019 UNIVERSIDADE METODISTA DE ANGOLA FACULDADE DE ENGENHARIA CURSO DE ENGENHARIA CIVIL DECLARAÇÃO DO ORIENTADOR José Maria Durbalino de Carvalho, docente da Universidade Metodista de Angola e orientador desta monografia com o tema “ ANÁLISE COMPARATIVA DO BETÃO CONVENCIONAL E BETÃO COM RESÍDUO DE VIDRO LAMINADO” dos estudantes: Edmilson Hernani Xavier Pedro – Nº 19544 Hermenegildo dos Santos Andrade Coelho – Nº 16302 Vem por meio desta certificar que a monografia com o tema «Análise comparativa de betão convencional e betão com resíduo de vidro laminado», foi elaborada sob minha orientação de acordo com o regulamento da UMA, e que está pronta para defesa. Luanda, 14 de Junho de 2019 _________________________________________________ Durbalino de Carvalho i “Aos nossos pais pela instrução e educação...”. ii AGRADECIMENTOS Primeiramente agradeçemos a Deus pela vida e por nos ter dado essa oportunidade de fazer o curso de Engenharia Civil. Agradeçemos por sua graça, amor e a toda sabedoria que nos foi concedida. Ao professor Durbalino de Carvalho, por quem tivemos o privilégio de ser orientado com profunda sabedoria e paciência, manifestamos o nosso agradecimento. Aos professores que nos acompanharam ao longo do nosso percurso académico. Aos nossos colegas que juntos fizemos uma equipa ao longo da formação, em especial Joelson Velhinho e Madureira Saqueia que orientaram os ensaios laboratórias desta pesquisa. E como os últimos são os primeiros, pois sem eles tudo seria muito mais difícil, aos nossos queridos famíliares. Sobretudo nossos pais, o nosso muito obrigado pelo vosso amor, encorajamento, apoio, educação e instrução... Por mais que escrevessemos ou dissessemos, nunca seria suficiente para vos agradecer devidamente. iii RESUMO O tema de sustentabilidade tem sido o campo de concentração de muitas pesquisas e tem sido um dos principais motivos para indústria da construção civil reduzir os impactos ambientais e o alto consumo dos recursos naturais. A indústria da construção civil tem desenvolvido projectos com o intuito de melhorar a sustentabilidade através do aumento da reutilização de resíduos em materiais de construção. Muitos estudos já avaliaram a utilização do resíduo de vidro na produção de cimentos, argamassas, betões e outros materiais. Porém, quando o mesmo é utilizado na forma de pó cuja a granulometria passa no peneiro nº 200 o mesmo apresenta alto índice de actividade pozolânica segundo pesquisadores o que faz com que as propriedades da matriz cimentícia sejam melhoradas. A presente pesquisa teve como objectivo avaliar a potencialidade e viabilidade técnica do uso do resíduo de vidro laminado proveniente das obras civis como substituto parcial do cimento, com ênfase nas propriedades mecânicas do betão produzido com substituição do cimento. A proporção da substituição em massa estabelecidas foi de 5 % para todos os ensaios compreendidos nesse estudo. Para o betões no estado fresco, foi realizado o ensaio de consistência. No estado endurecido, os betões foram submetidos ao ensaio de resistência à compressão. Os resultados mostraram uma redução da resistência à compressão do betão com resíduo de vidro laminado, isto devido ao teor de substituição que proporcionou redução do consumo de cimento e aumento da água. Palavra-chaves: Betão, Resíduo, vidro laminado, poli vinil butiral e actividade pozolânica. iv ABSTRACT The theme of sustainability has been the focus of much research and has been one of the main reasons for the construction industry to reduce environmental impacts and high consumption of natural resources. The construction industry has developed projects with the aim of improving sustainability by increasing the reuse of waste in building materials. Many studies have already evaluated the use of glass residue in the production of cements, mortars, concrete and other materials. However, when it is used in the form of powder whose granulometry passes in the 200 sieve, it has a high index of pozzolanic activity according to researchers, which causes the properties of the cementitious matrix to be improved. The present research had as objective to evaluate the potentiality and technical viability of the use of laminated glass residue from the civil works as a partial substitute of the cement, with emphasis on the mechanical properties of the concrete produced with cement substitution. The proportion of established mass substitution was 5% for all trials included in this study. For the concrete in the fresh state, the consistency test was performed. In the hardened state, the concretes were subjected to the compressive strength test. The results showed a reduction of the compressive strength, due to the substitution content that gave reduction of the cement consumption. Keywords: Concrete, Residue, laminated glass, polyvinyl butyral and pozzolanic activity. v ÍNDICE GERAL DEDICATÓRIA......................................................................................................................i AGRADECIMENTOS.........................................................................................................ii RESUMO................................................................................................................................iii ABSTRACT...........................................................................................................................iv ÍNDICE GERAL…………………………………………………………………………....v LISTA DE FIGURAS…………………………………………..……………...................vii LISTA DE TABELAS.......................................................................................................viii ABREVIATURAS E SÍMBOLOS...................................................................................ix INTRODUÇÃO ...................................................................................................................11 CAPÍTULO I. BETÃO CONVENCIONAL (BC).......................................................18 1.1. Considerações sobre o betão convencional ............................................................18 1.2. Constituintes do betão ............................................................................................19 1.2.1. Agregados ...............................................................................................19 1.2.2. Cimentos .................................................................................................21 1.2.3. Água de amassadura ................................................................................24 1.2.4. Adições...................................................................................................241.2.5. Adjuvantes...............................................................................................26 1.3. Composição do betão..............................................................................................28 1.4. Caracteríscas do betão convencional.......................................................................30 1.4.1. Resistência à compressão.........................................................................30 1.4.2. Consistência.............................................................................................33 CAPÍTULO II. BETÃO COM RESÍDUO DE VIDRO LAMINADO (BRVL).....36 2.1. O vidro...................................................................................................................36 2.2 A recilagem do vidro................................................................................................38 2.3 Incorporação do resíduo de vidro laminado na produção de betão...........................39 2.3.1 Propriedades do betão com resíduo de vidro laminado no estado fresco.................................................................................................................39 2.3.2 Propriedades do betão com resíduo de vidro laminado no estado endurecido.........................................................................................................41 vi CAPÍTULO III. CASO DE ESTUDO.............................................................................50 3.1.Considerações gerais...............................................................................................50 3.2 Materiais..................................................................................................................52 3.2.1. Agregado fino..........................................................................................52 3.2.2 Agregado grosso........................................................................................53 3.2.3 Cimento.....................................................................................................54 3.2.4 Resíduo de vidro laminado........................................................................54 3.3 Preparação das misturas e ensaios............................................................................55 3.3.1 Ensaios no betão no estado fresco.............................................................57 3.3.2 Ensaios no betão no estado endurecido.....................................................58 3.3.2.1 Resistência à compressão axial..............................................................58 3.4. Resultados e discussões..........................................................................................59 3.4.1. Análise da consistência pelo abaixamento tronco-cónica.........................59 3.4.2. Anaálise da resistência à compressão axial...............................................59 CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS.........................................................62 REFERÊNCIAS BIBLIORAFICAS...............................................................................64 ANEXO A. Cálculo da Composição do betão C20/25..............................................................68 ANEXO B. Distribuição granulométrica da brita nos peneiros..................................................72 ANEXO C. Distribuição granulométrica da areia nos peneiros.................................................73 ANEXO D. Massa volúmica e teor de absorção de água da brita...............................................74 ANEXO E Teor de humidade e inchamento da areia ……………………………………...….76 ANEXO F. Consistência do betão com resíduo de vidro laminado ………………………..…77 ANEXO G. Resistência à compressão dos betões…………………………………………......79 vii LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Utilização esperada de adições para colmatar as necessidades previstas de ligante cimentício pelo método de amortecimento exponencial Holt……………….........…….....…..15 Figura 2 - Cimento Portland ......................................................................................................22 Figura 3 - Variação da tensão de rotura do betão com a razão A/C.............................................29 Figura 4 - Influência da razão A/C na permeabilidade...............................................................30 Figura 5 - Relação entre a resistência medida em provetes prismáticos e a resistência medida emprovetes cúbicos ...................................................................................................................31 Figura 6 - Valor característico da resistência (fck).....................................................................32 Figura 7 - Cone de Abrams........................................................................................................34 Figura 8 - Medição do abaixamento...........................................................................................34 Figura 9 - a) Abaixamento verdadeiro; b) Abaixamento deformado..........................................35 Figura 10 - Resistência à compressão dos betões com resíduo de vidro.....................................42 Figura 11 - Resistência à compressão dos betões estudados......................................................44 Figura 12 - MEV dos betões na pesquisa de Shayan e Xu (2004) (a) Betão com Substituição (b) Betão com Substituição (c) Betão convencional........................................................................46 Figura 13 - Micrografia e EDS de betão com 30% do cimento substituído por resíduo de vidro..........................................................................................................................................47 Figura 14 - Micrografia e EDS de betão em que houve reacção do resíduo de vidro no betão....47 Figura 15 - Micrografia e EDS de betão em que houve reacção parcial ou inexistente do resíduo de vidro no betão……………………………………………………………………………....48 Figura 16 - Micrografia de betão com resíduo de vidro: Ocorrência de reacção pozolânica…...49 Figura 17 - Organograma do programa de ensaios …………………………………………....51 Figura 18 - Curva granulométrica da areia.................................................................................52 Figura 19 - Curva granulométrica da brita.................................................................................53 Figura.20 - Procedimentos realizados antes da caracterização do resíduo de vidro....................54 Figura 21 - Pó de resíduo de vidro laminado ……..……………………………………….......55 Figura 22 - Preparação dos corpos de provas.............................................................................57 Figura 23 - Prensa utilizada no ensaio de resistência à compressão...........................................58 Figura 24 - Resistência à compressão axial nos cilindros de betão.............................................60 Figura 25 - Resistência à compressão axial nos cubos de betão….............................................61 viii LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Possíveis utilizações de resíduos de vidro na construção civil................................13 Tabela 2 - Características dos componentes do clínquer Portland............................................23 Tabela 3 - Cimentos. Classes de resistência.............................................................................24 Tabela 4 - Características das águas para amassadura de betões..............................................25 Tabela 5 - Classes de abaixamento do betão.............................................................................35 Tabela 6 - Composição do vidro...............................................................................................36 Tabela 7 - Composições químicas do resíduo de vidro utilizado em pesquisas.......................37 Tabela 8 - Composição químicado cimento utilizado em algumas pesquisas.........................37 Tabela 9 - Reciclagem de embalagens de vidro no mundo (2011)...........................................38 Tabela 10 - Proporções das misturas realizadas........................................................................44 Tabela 11 - Resultados dos ensaios de resistência à compressão e à tracção de betões com resíduo de ETE..........................................................................................................................45 Tabela 12 - Variáveis da pesquisa.............................................................................................50 Tabela13 - Propriedades físicas da areia...................................................................................52 Tabela 14 - Caracterização da brita...........................................................................................53 Tabela 15 - Nomenclatura dos traços moldados de acordo com o percentual de substituição em massa do cimento pelo resíduo e composição em massa das misturas...............................56 Tabela 16 - Classe de abaixamento do betão............................................................................58 Tabela 17 - Resultados do ensaio de abaixamento do tronco-cónica.......................................59 Tabela 18 - Resistência à compressão nos cilindros.................................................................60 Tabela 19 - Resistência à compressão nos cubos......................................................................60 ix ABREVIATURAS E SÍMBOLOS C-S-H - Silicato de cálcio hidratado PVB - Poly vinil butyral. CO2 - Dióxido de carbono BC - Betão Convencional C - Betão normal HC - Betão pesado LC - Betão leve 𝛾 - Massa volumica A/C - Razão água cimento NP EN - Norma portuguesa, norma europeia 3𝐶𝑎𝑂. 𝑆𝑖𝑂2 ou 𝐶3𝑆 - Silicato tricálcico 2𝐶𝑎𝑂. SiO2 ou 𝐶2𝑆 - Silicato bicálcico 3𝐶𝑎𝑂. 𝐴𝑙2𝑂3 ou 𝐶3𝐴 - Aluminato tricálcico 4𝐶𝑎𝑂. 𝐴𝑙2𝑂3. 𝐹𝑒2𝑂3 ou 𝐶4𝐴𝐹 - Aluminoferrato tetracálcico pH - Potencial Hidrogeniônico fcm - Tensões de rotura média 𝛿 - Coeficiente de variação Fck - Resistência característica do betão BRVL - Betão com Resíduo de Vidro Laminado 𝑆𝑖𝑂2 - Sílica ou o óxido de silício 𝑁𝑎2𝑂 - Óxido de sódio 𝐶𝑎𝑂 - Óxido de cálcio RAS - Reacção álcali-sílica CH - Benzeno ETE - Estação de Tratamento de Efluentes 𝑆𝑖𝑂2 - Dióxido de silício 𝐴𝑙2𝑂3 - Óxido de alumínio CPV-ARI-RS - Cimento Portland de alta resistência inicial e resistente a sulfatos RVL - Resíduo de Vidro Laminado LEC-UMA - Laboratório de Engenharia Civil da Universidade Metodista de Angola NBR - Norma Brasileira ABNT - Associação Brasileira de Normais Técnicas x t/ano – Tonelada por ano LEC - Laboratório de Engenharia Civil MPa – Mega Pascal Ca – Cálcio Na - Sódio 11 INTRODUÇÃO Edifícios altos cobrem as grandes cidades do mundo, erguidos fundamentalmente por uma massa densa, protegem o homem de intempéries e outorgam-lhe conforto. Mas nem sempre foi assim, o homem nas civilizações primitivas utilizava, a pedra, a madeira e o barro como materiais de construção, com o passar do tempo as exigências humanas aumentaram, sendo necessários materiais de maior resistência, durabilidade e melhor aparência. Assim surgiu o betão, moldável como o barro e resistente como a pedra. O aparecimento do betão vem da evolução do uso de aglomerante de gesso calcinado pelos egípcios, aos calcários calcinados pelos gregos e romanos que aprenderam, posteriormente, a misturar cal e água, areia e pedra fragmentada, tijolos ou telhas em cacos. O betão é um material constituído pela mistura devidamente proporcionada de agregados (em geral brita ou godo e areia) com um ligante hidráulico, água e eventualmente adjuvantes e/ou adições (pozolanas, cinzas ou filleres) [4]. Sendo o betão o material mais utilizado no sector da construção civil, uma vez que este sector ocupa uma posição de destaque na economia por ser uma das mais importantes actividades para o desenvolvimento econômico e social de um país. Este sector consome grandes quantidades de recursos naturais e de energia, além de ser um grande gerador de resíduos. Mas além de consumir, a indústria da construção civil também tem a capacidade de absorver os resíduos gerados tanto por ela como por outras actividades, reutilizando-os incorporados aos materiais de construção, entre eles o betão. A incorporação de resíduos no betão é um assunto que tem sido estudado com bastante frequência em todo mundo. Primeiramente pela necessidade do destino final do resíduo, uma vez que as leis ambientais estão mais rigorosas a cada dia, e também pelo facto do betão ser um material que, possui uma facilidade de incorporar diversos tipos de resíduos sem dano ao meio ambiente, além de melhorar algumas propriedades. Nos estudos já realizados com foco na incorporação de resíduos de vidro, a maior parte das pesquisas aponta melhores resultados quando este resíduo é utilizado na forma de pó, como substituto parcial do cimento, já que com granulometria mais fina, o resíduo de vidro tende a possuir alto índice de actividade pozolânica, melhorando as propriedades mecânicas da matriz cimentícia na qual este resíduo é inserido. A utilização de resíduo de vidro com características pozolânicas na composição de materiais cimentícios visa diminuir a extracção de matéria-prima para a produção do cimento Portland e possibilitar um destino a este resíduo. 12 Além das vantagens ambientais e econômicas, estas adições possibilitam a melhoria de algumas propriedades da matriz cimentícia, pois as mesmas estão directamente ligadas à produção de betões de alta resistência e alto desempenho devido ao efeito químico relacionado com a formação adicional de silicato de cálcio hidratado (C-S-H), produto responsável pela maior fracção de resistência das pastas de cimento. Estas adições também permitem a transformação de vazios através da ocupação destes espaços pelas pequenas partículas do resíduo, diminuindo a permeabilidade e, consequentemente, aumentando a durabilidade do material [14]. Dada a importância do assunto apresentado, resolveu-se fazer uma análise comparativa do betão convencional e betão com resíduo de vidro laminado proveniente de obras civis, diante da necessidade de outras aplicações para o resíduo de forma a evitar o seu destino em aterros sanitários. Justificativa Na arena mundial tem-se assistido a um aumento da preocupação relativa à preservação do meio ambiente, em particular na indústria da construção civil. Várias tentativas de valorização e reciclagem de resíduos, tem sido levada a cabo, contribuindo assim para a prática importante da sustentabilidade, atenuando a degradação ambiental procurando reduzir a utilização de recursos naturais. Assim têm sido investigados novos materiais e processos que podem ser vantajosos para o sector da Construção Civil. [2; 10; 11] Segundo John e Agopyan (2000) a reciclagem é uma actividade que vêm desde a antiguidade motivada por razões práticas e econômicas. A utilização de resíduos como materiais de construção deve estar associada à proposta de desenvolvimento de produtos que contenham resíduos capazes de competir no mercado e contribuir para o desenvolvimento sustentável. Sustentabilidade tornou-se uma das principais discussões em diversas áreas tais como política, indústria e em meios acadêmicos [15]. Essas discussões são o resultado da percepção de que a acção do homem tem causado grandes transformações na natureza como o aquecimento global, poluição do ar e da água, consumo acelerado dos recursos naturais não renováveis e outros. O sector da construção civil vem contribuindo de forma significativapara o avanço das transformações ocorridas na natureza uma vez que a sua principal função é a transformação do ambiente natural em um ambiente adequado ao desenvolvimento das mais diversas actividades [16]. 13 Para que os resíduos sejam utilizados na construção civil, os novos materiais produzidos com a incorporação de resíduos devem atender às exigências físicas, mecânicas e de durabilidade que às normas especificam de forma que sejam superiores ou similares aos produtos já existentes no mercado [5; 20]. Essas exigências são necessárias uma vez que o sector da construção civil necessita oferecer materiais que possuam boa qualidade e vida útil prolongada. O resíduo de vidro é foco de diversos estudos com objectivo de incorporá-lo na preparação de novos materiais na construção civil. No Tabela 1 encontram-se diversas utilizações para os resíduos de vidro na construção civil. Tabela 1 - Possíveis utilizações de resíduos de vidro na construção civil Fonte: [15]. Federico e Chidiac (2009), Luz e Ribeiro (2008), Ozkan e Yuksel (2008) dentre outros pesquisadores realizaram estudos utilizando o resíduo de vidro na preparação de alguns materiais de construção. Tais estudos avaliaram a incorporação desses resíduos na composição de argamassas, no preparo de betões, como constituinte do cimento e em outros materiais de construção. A Austrália, por exemplo, utiliza o vidro moído proveniente do lixo para execução de betão para a construção civil [4]. Em 2011, dos vidros planos produzidos no mundo, 80% foram consumidos em aplicações na construção civil, 10% aplicaçados em automoveis e 10% em aplicações especiais. Angola não fábrica vidros a partir da sua matéria-prima, porém assistimos a um volume de importação deste material muito elevado, isto pela demanda do mercado da construção civil uma vez que somos um país em desenvolvimento o que certamente produz uma quantidade elevada destes resíduos. A reciclagem de vidro de todos os tipos em Angola não é conhecida, existem dados da reciclagem de garrafas pela empresa Vidrul e outras poucas empresas. O sector de fabricação de vidros laminados está em constante crescimento devido, ao crescimento acelerado do sector da construção civil, área que demanda uma quantidade elevada 14 desse tipo de vidro. O vidro laminado é encontrado principalmente em parabrisas e em portas e janelas dos prédios. A estrutura do vidro laminado possui três camadas: duas camadas externas de vidro e uma camada intermediária feita com um polímero orgânico denominado PVB (poly vinil butyral). A camada intermediária é fortemente unida ao vidro, de forma que, se uma ou ambas as camadas externas se quebrarem, os estilhaços de vidro permanecerão unidos à camada do polímero. Esse mecanismo evita que o vidro se quebre de forma que possa ferir as pessoas em casos de colisões e outros acidentes. Após a vida útil desse material, o mesmo se torna um problema ambiental devido o seu destino final. A reciclagem desse material possui como factor limitante a dificuldade em separar todo o PVB do vidro. Dessa forma qualquer aplicação que seja realizada com tal resíduo terá uma parcela pequena de PVB em sua composição. E uma vez que o fabrico de uma tonelada de cimento liberta para a atmosfera mais de uma tonelada de CO2, um dos gases que mais contribui para o efeito estufa, desestabilizando o equilíbrio energético no planeta, produzindo um fenômeno conhecido como aquecimento global. A composição do betão incorpora entre 10 a 15% de cimento [10; 11; 12; 17; 18]. Produz-se actualmente cerca de 2.0 biliões t/ano de cimento mundialmente e estima-se que em 2020 ascenda a 3.0 biliões t/ano. Espera-se para colmatar estas necessidades que seja utilizada uma grande quantidade de adições de forma a estabilizar o consumo do clínquer [10; 11; 12; 17; 18]. https://pt.wikipedia.org/wiki/Balan%C3%A7o_energ%C3%A9tico https://pt.wikipedia.org/wiki/Aquecimento_global https://pt.wikipedia.org/wiki/Aquecimento_global 15 Figura 1 - Utilização esperada de adições para colmatar as necessidades previstas de ligante cimentício pelo método de amortecimento exponencial Holt Fonte: [33; 34]. Considerando o volume gigantesco de consumo de cimento, qualquer redução terá vantagens ecológicas significativas. Uma das formas de redução deste consumo é através de substituições parciais de cimento por materiais cimentícios – pozolânicos ou com propriedades hidráulicas latentes, cuja produção implica menor consumo de energia e acarreta níveis inferiores de poluição [10; 11; 12; 17; 18]. Dessa forma, a proposta de incorporação do resíduo de vidro finamente moído como substituto parcial do cimento poderá minimizar os impactos ambientais, devido à emissão de CO2, caso a hipótese seja confirmada. Além da questão da poluição do ar, é importante destacar que com a incorporação de resíduos na produção de um material, o consumo de matérias-primas não renováveis também tende a diminuir. As reservas de muitos materiais naturais já começaram a ficar escassas, especialmente junto aos grandes centros urbanos. A busca de aplicações para o resíduo de vidro laminado baseia-se também no intuito de minimizar o impacto ambiental no momento em que se dá o destino final desse resíduo, visto 16 que o PVB levaria em torno de 500 anos para ser assimilado pela natureza e o vidro é praticamente indestrutível [15; 35]. Os resíduos de vidro quando não absorvidos pela indústria de reciclagem são geralmente encaminhados para aterros sanitários onde permanecem por muitos anos, inutilizando o solo e provocando a desertificação do local. Portanto, ao diminuir ou substituir algum composto de material do betão pelo resíduo de vidro sem haver prejuízo em suas propriedades, haverá uma maior conservação de recursos naturais, diminuição da quantidade de resíduo aterrada. Assim como o desenvolvimento de novos materiais com um custo relativamente menor. Através dos resultados desta pesquisa pretende-se confirmar por meio da comparação com o betão convencional a potencialidade e viabilidade técnica do uso do resíduo do vidro laminado proveniente das obras civis como substituição parcial do cimento no preparo de betões na construção civil. A proposta é de utilizar o resíduo de vidro finamente moído de forma a trabalhar com as características pozolânicas deste material. Com o aproveitamento do resíduo, a pesquisa estará contribuindo para o desenvolvimento sustentável do sector da construção civil. Obejectivos a) Objectivo geral O trabalho apresentado propõe comparar a propriedade mecânica do betão convencional e do betão com resíduo de vidro laminado, afim de avaliar a potencialidade e viabilidade técnica do uso do resíduo de vidro proveniente de obras como substituto parcial do cimento. b) Objectivos específicos Serão estudados e avaliados os resultados dos ensaios de abaixamento e resistência à compressão, dos betões produzidos com resíduo de vidro laminado em substituição parcial ao cimento comparando-o com o betão convencional. Dessa forma os objectivos específicos deste trabalho são: Avaliar o efeito do percentual de substituição do material cimentício pelo resíduo de vidro sobre as propriedades do betão no estado fresco, avaliando a consistência e comparando com amostras do betão convencional preparado sem a substituição; Avaliar o efeito do percentual de substituição do material cimentício pelo resíduo de vidro no betão, através dos ensaios de resistência à compressão, comparando-o com amostras de betão convencional preparados sem a substituição. 17 Metodologia O referido trabalho será desenvolvido com a realização de pesquisa bibliográfica, juntamente com uma abordagem quantitativa e qualitativa dos betões. As variáveis selecionadas para a comparação dos betões, são aqui descritas: resistência à compressão, proporção do resíduo de vidro(5%), idade de realização de cada ensaio, tipo de cimento, tipo dos agregados, relação água / cimento, humidade da areia, procedimento de mistura. Estrutura do trabalho O presente trabalho de fim de curso encontra-se estruturado em três capítulos, além da introdução, conclusão, referências bibliográficas e dos anexos. A seguir é apresentada uma sucinta descrição a respeito do conteúdo de cada capítulo. O capítulo 1 apresenta as considerações sobre o betão convencional, características relativas aos materiais constituintes e, também suas propriedades dando ênfase às propriedades mecânicas, objecto da parte experimental desta pesquisa. No capítulo 2 é apresentada a revisão bibliográfica sobre o resíduo de vidro laminado e a sua influência no betão quer no estado fresco como no endurecido. No capítulo 3 é apresentada o estudo de caso, desde a amostragem do resíduo e dos outros materiais, caracterização dos componentes das misturas para produção do betão bem como as propriedades mecânicas do betão. As dosagens e os teores de substituições adoptado para os betões estudado no estado fresco e no estado endurecido e o preparo dos ensaios e moldagem dos corpos de prova utilizados para a realização dos ensaios. São relatados a avaliação de propriedades relacionadas à determinação de características físicas e mecânicas dos betões no estado fresco e endurecido. O capítulo 3 descreve ainda os resultados obtidos nos ensaios e discutido de acordo a revisão bibliografica,bem como análisado por meio de quadros e gráficos. De seguida são apresentadas as conclusões específicas obtidas através das observações, resultados e análises relativas aos traço dos betões no estado fresco e endurecido. No final da pesquisa estão contidas as referências bibliográficas utilizadas para a produção deste trabalho e os anexos. 18 Capítulo I. Betão Convencional (BC) 1.1. Considerações sobre o betão convencional A versatilidade, durabilidade, e economia inerentes ao betão fizeram deste produto o material de construção mais utilizado a nível mundial. Trata-se de uma mistura devidamente proporcionada de agregados (geralmente brita e areia), cimentos, adições (pozolanas, cinzas ou fílleres), água e adjuvantes. O cimento reage quando entra em conctato com a água, endurecendo e conferindo à mistura níveis de coesão e resistência que possibilitam a sua utilização como material de construção.[8] Caso a máxima dimensão do agregado seja igual ou inferior a 4 mm, o material resultante é denominado argamassa. Além destes requisitos de composição, para que o material possa ser considerado betão é necessário que seja convenientemente colocado e/ou compactado. Assim deve apresentar, depois da compactação, uma estrutura fechada, isto é, o teor de ar em volume não deve exceder 3% quando a máxima dimensão dos agregados é maior ou igual 16 mm e, 4% quando a máxima dimensão dos agregados é menor que 16 mm. Este teor limite de ar não inclui ar introduzido nem os poros dos agregados, isto é, trata-se apenas de ar aprisionado que não foi expulso em resultado da compactação. O betão com estas características pode ser utilizado no projecto e execução de estruturas de betão simples, betão armado e betão pré-esforçado. Desde a fabricação até à fase em que desempenha funções estruturais, o betão passa por dois estados diferentes: betão fresco e betão endurecido.O primeiro é definido como betão ainda no estado plástico e capaz de ser compactado por métodos normais. O segundo é definido como betão que endureceu e desenvolveu uma certa resistência.[8] O endurecimento do betão começa poucas horas após o seu fabrico e atinge aos 28 dias de idade cerca de 60 a 90% da sua resistência final, dependendo do tipo de cimento e do tipo de cura utilizado. O betão é utilizado numa grande variedade de aplicações, tais como barragens, estações de tratamento de águas, parques de estacionamento, garagens, edifícios, pavimentos, passeios, entre muitas outras. O betão endurecido é classificado de acordo com a sua massa volúmica em três categorias [24]: Betão normal: Betão com uma massa volúmica após secagem em estufa (105°C) superior a 2.000 kg/m3 mas não excedendo 2.600 kg/m3. 19 Betão pesado: Betão com uma massa volúmica obtida após secagem em estufa superior a 2.600 kg/m3; Betão leve: Betão com uma massa volúmica após secagem em estufa não superior a 2.000 kg/m3, total ou parcialmente fabricado com agregados leves. O betão normal é designado pelo símbolo C, o betão pesado pelo símbolo HC e o betão leve pelo símbolo LC. Os betões são também classificados em diferentes classes de resistência de acordo com a resistência à compressão medida em cilíndricos ou cubos. Assim, por exemplo, um C20/25 é um betão normal com uma resistência característica à compressão igual a 20 MPa medida em cilindros e igual a 25 MPa medida em cubos. A composição do betão, para além de garantir uma determinada classe de resistência, deve ser especificada em função dos requisitos de durabilidade estabelecidos para cada obra, isto é, definido o período de vida útil da construção são indicados limites relativos e diversos parâmetros de composição em função das classes de exposição ambiental (agressividade do ambiente) [24]. Sendo a base da maioria das infra-estruturas da civilização, bem como do seu desenvolvimento físico, o betão é duas vezes mais utilizado que quaisquer outros materiais por todo o mundo. É um material de construção fundamental para infra-estruturas municipais, infra- estruturas de transporte, edifícios de escritórios e residências. Referem-se em seguida alguns aspectos básicos relativos aos diversos constituintes do betão por forma a que se possa compreender melhor o comportamento deste material. 1.2. Constituintes do betão 1.2.1. Agregados Os agregados são constituídos por elementos naturais ou artificiais, britados ou não, com partículas de tamanho e forma adequadas para o fabrico de betão. Anteriormente estes elementos eram designados por inertes devido ao facto de não participarem significativamente nas reacções químicas de endurecimento do betão. No entanto, alguns destes materiais podem apresentar reactividade química importante que, em certas circunstâncias, conduzem à deterioração do betão como, por exemplo, as reacções álcalis-sílica, razão pela qual a designação foi alterada para agregados [8]. Os agregados podem classificar-se segundo vários aspectos: petrográfia, massa volúmica, modo de obtenção e dimensão das partículas [16]. 20 Quanto à petrográfia classificam-se de acordo com as rochas de onde são originários: sedimentares, metamórficas e ígneas. No que se refere à massa volúmica, classificam-se em agregados leves ( < 2.000kg/m3); agregados normais (2.000kg/m3 3.000kg/m3) e agregados pesados ( > 3.000kg/m3). Quanto ao modo de obtenção classificam-se em naturais e artificiais. Relativamente às dimensões classificam-se em agregados finos e grossos. Os agregados finos possuem máxima dimensão inferior a 5 mm, designando-se por areia rolada quando é natural e areia britada quando obtida por fractura mecânica. Os agregados grossos apresentam dimensões superiores a 5 mm, designando-se por godos e rolado (calhau ou seixo) quando são de origem natural e por britas, quando são obtidos por fractura mecânica. A forma dos grãos e a textura de superfície dos agregados tem influência significativa em algumas propriedades do betão. Sob este aspecto, os agregados arredondados e lisos conferem maior trabalhabilidade ao betão e os agregados britados aumentam a sua resistência à tracção. A resistência do betão à compressão pode ser influenciada significativamente pelos agregados através da composição granulométrica, da sua resistência e da resistência da ligação pasta de cimento-agregado.[8] A granulometria e a resistência são as propriedadesmais importantes dos agregados. A granulometria condiciona a compacidade do betão e, desta forma, as suas propriedades no estado fresco e endurecido. A distribuição do tamanho das partículas dos agregados pode efectuar-se recorrendo a curvas granulométricas de referência, sendo as mais importantes as de Bolomey, Faury e Joisel. Não é possível estabelecer uma única curva de referência óptima, pois em cada caso há que atender às diferentes propriedades exigidas para o betão e a outros factores: resistência, trabalhabilidade, transporte e colocação, tipos e forma dos agregados, dimensão dos elementos a betonar, etc. Uma análise pormenorizada deste assunto sai fora do âmbito deste trabalho, no entanto, referem-se algumas ideias básicas [7; 23]: Quanto maior for a compacidade das composições granulométricas menor é o volume de vazios entre as partículas e, portanto, menor a quantidade de pasta de cimento necessária. As granulometrias mais compactas conseguem-se com misturas relativamente pobres em areia e grande proporção de agregados grossos, requerendo, desta forma, pequena quantidade de água de amassadura; Quanto maior é a máxima dimensão do agregado, menores são as quantidades necessárias de cimento e água. Todavia a máxima dimensão do agregado é limitada pela dimensão das peças a betonar e pelo afastamento entre os varões da armadura; 21 As granulometrias mais compactas originam betões com baixa trabalhabilidade que se desagregam facilmente, no entanto, conseguem-se obter betões muito resistentes com baixa porosidade, baixa retracção e elevada durabilidade; Para se obter um betão com boa trabalhabilidade que não se desagregue durante o transporte, colocação e compactação é necessário dotar a mistura de um teor óptimo em agregados finos. Ao aumentar o teor em finos a compacidade da granulometria baixa, dado ser necessário aumentar a quantidade de água. Assim, em cada caso, é necessário adoptar uma solução de compromisso que satisfaça quer a compacidade da granulometria quer o teor óptimo de finos. No que se refere à resistência mecânica dos agregados, verifica-se tratar-se de uma propriedade importante, nomeadamente no caso de betões de alta resistência. Para betões correntes, e dado que a resistência das rochas utilizadas como agregados é superior a valores da ordem de 60 MPa, a resistência do betão depende essencialmente da resistência da pasta de cimento. Quando a pasta de cimento apresenta uma resistência elevada (obtida através de reduzidas razões A/C e utilização de adições activas) a resistência do betão é condicionada pela resistência dos agregados. Assim, o fabrico de betão de alta resistência requer, para além de outros factores, a utilização de agregados seleccionados com resistências elevadas. A aptidão dos agregados para o fabrico do betão está estabelecida nas normas NP EN 12620 [25] e NP EN 13055-1 [27]. 1.2.2. Cimentos O cimento (ligante hidráulico) é um material inorgânico finamente moído que, quando misturado com água, forma uma pasta que faz presa e endurece em virtude das reacções e processos de hidratação e que, depois de endurecer, mantém a sua resistência e estabilidade mesmo debaixo de água. O cimento é obtido pela cozedura, a temperaturas da ordem de 1.450ºC, de uma mistura devidamente proporcionada de calcário e argila. [8] O ligante assim obtido é designado correntemente por cimento Portland, representado na Figura 2. 22 Figura 2 - Cimento Portland Fonte: [4] No processo de cozedura destas matérias-primas (calcário e argila) são originadas diversas reacções químicas, formando-se novos compostos que, ao arrefecerem, aglomeram-se em pedaços com dimensões variáveis (2 a 20 mm) designados por clínquer. Após o arrefecimento, o clínquer é moído juntamente com adjuvantes, para facilitar a moagem, e gesso para regular o tempo de presa. Nesta fase, pode-se juntar à mistura adições (pozolanas, cinzas volantes, escórias de alto forno, etc.) para lhe modificar as propriedades. Podem, ainda, juntar- se adições inertes em quantidades que não exceda 15%, de modo a não prejudicarem as propriedades do cimento. Quando o cimento é misturado com água ocorrem reacções de hidratação que formam compostos estáveis que cristalizam com forma fibrosa interligando-se, conferindo ao conjunto uma elevada resistência. A designação de ligante deve-se à propriedade de poder aglomerar uma proporção elevada de materiais agregados (areias, britas, …) conferindo ao conjunto uma elevada coesão e resistência, o que o torna apropriado para o fabrico do betão [7]. As propriedades do cimento, nomeadamente o seu comportamento mecânico, dependem da sua composição química e da finura obtida na moagem. Os principais componentes do cimento portland hidratado são os seguintes: Silicato tricálcico: 3𝐶𝑎𝑂. 𝑆𝑖𝑂2 ou abreviadamente 𝐶3𝑆; Silicato bicálcico: 2𝐶𝑎𝑂. SiO2 ou 𝐶2𝑆; Aluminato tricálcico: 3𝐶𝑎𝑂. 𝐴𝑙2𝑂3 ou 𝐶3𝐴; Aluminoferrato tetracálcico: 4𝐶𝑎𝑂. 𝐴𝑙2𝑂3. 𝐹𝑒2𝑂3 ou 𝐶4𝐴𝐹. Na Tabela 2 quantificam-se as proposições médias dos principais componentes de cimento e as suas propriedades durante e após a hidratação. 23 Tabela 2 - Características dos componentes do clínquer portland Fonte: [8] Os componentes que contribuem para a resistência da pasta de cimento são, essencialmente, o silicato tricálcico e o silicato bicálcico. O primeiro, por reagir mais rapidamente com a água, contribui para as resistências iniciais, enquanto o segundo contribui em maior grau para as resistências a longo prazo, dado a sua reacção ser bastante mais lenta. A finura é medida pela superfície específica. Os cimentos com finura normal apresentam uma superfície específica “Blaine” da ordem de 3.000 a 3.500 cm2/g, enquanto os cimentos de finura elevada podem apresentar superfícies específicas muito superiores. Dado que só a superfície dos grãos de cimento participa nas reacções de hidratação, quanto maior a finura do cimento, maior é a quantidade de componentes hidratados e, assim, maior a resistência da pasta de cimento. Os cimentos de classe de resistência mais elevada apresentam maior quantidade de silicatos tricálcico e maior finura relativamente aos cimentos menos resistentes. Refira-se que esses cimentos desenvolvem maiores resistências iniciais, embora exibam menor crescimento das resistências a longo prazo [8]. Os cimentos que podem ser utilizados no betão simples, armado ou pré-esforçado são definidos na norma NP EN 197-1. Os cimentos podem ser classificados quanto à classe de resistência de acordo com Tabela 3. 24 Tabela 3 - Cimentos. Classes de resistência Fonte: [8] 1.2.3. Água de amassadura A água de amassadura desempenha dois papéis importantes na massa fresca e na fase de endurecimento do betão. No betão fresco, a água confere à massa a trabalhabilidade adequada para permitir uma boa colocação e compactação. Na fase de endurecimento a água participa nas reacções de hidratação do cimento que conferem a resistência necessária ao betão. Todavia, deve-se limitar ao mínimo a quantidade de água utilizada no fabrico de betão, pois a água em excesso evapora-se criando no betão uma rede de poros capilares que prejudicam a sua resistência e durabilidade. Assim, a quantidade de água a utilizar deverá ser a indispensável para se obter a trabalhabilidade pretendida. Refira-se que com o desenvolvimento dos adjuvantes plastificantes com elevado desempenho é actualmente possível utilizar quantidades muito pequenas de água no fabrico do betão sem prejudicar a trabalhabilidade. Para que a água seja adequada ao fabrico do betão é necessário que não contenha matérias prejudiciais. As águas potáveis e outras que não apresentem cheiro nem sabor podem ser utilizadas no fabrico do betão. Não devem ser utilizadas águas com pH inferior a 4 nem as que contenham óleos,gorduras, hidratos de carbono e sais prejudiciais. Quando as águas apresentam resíduos em suspensão deve limitar-se a sua utilização, dado que estas matérias prejudicam a ligação pasta de cimento agregados. Na Tabela 4 apresentam-se as características que devem obedecer às águas para amassadura de betões. 25 Tabela 4 – Características das águas para amassadura de betões Fonte: [8] 1.2.4. Adições As adições são materiais inorgânicos, finamente divididos que podem ser adicionados ao betão com a finalidade de melhorar certas propriedades ou para adquirir propriedades especiais. Estes materiais podem ser de origem natural como o filler calcário e as pozolanas naturais finamente moídas, ou ter origem em sub-produtos industriais como as cinzas volantes, as escórias de alto forno e a sílica de fumo ou microssílica. As adições classificam-se em dois tipos, tendo ou não propriedades hidráulicas latentes ou propriedades pozolânicas [8]: As adições do tipo I, são adições quase inertes, como o filler calcário, não têm propriedades hidráulicas latentes nem propriedades pozolânicas; As adições do tipo II são as que apresentam propriedades hidráulicas latentes, como a escória granulada de alto forno moída, ou propriedades pozolânicas, como as pozolanas naturais, as cinzas volantes ou a sílica de fumo. Quando as adições foram inicialmente introduzidas como um componente do betão foram vistas essencialmente como um produto substituto do cimento, isto é, a sua utilização era considerada apenas sob o ponto de vista económico. Todavia, esta situação tem mudado significativamente nos últimos anos. Com efeito, a utilização destes produtos tem sido incrementada com o objectivo de melhorar algumas propriedades do betão, tais como a durabilidade e a resistência. 26 O fíller calcário tem um efeito benéfico nas seguintes propriedades do betão: trabalhabilidade, permeabilidade, exsudação, calor de hidratação, atenuando ainda a tendência do betão para fendilhar. As adições com propriedades pozolânicas, isto é, as que apresentam reactividade como hidróxido de cálcio, ao reagirem com este composto libertado nas reacções de hidratação do cimento, dão origem a silicatos de cálcio hidratados semelhantes aos produzidos pelo cimento portland. A pasta de cimento endurecida apresenta, desta forma, um maior teor de silicatos de cálcio hidratados e um menor teor de hidróxido de cálcio, melhorando a sua compacidade e aumentando a sua resistência à deterioração. As escórias de alto forno têm composição idêntica à do cimento, apresentando assim propriedades hidráulicas que necessitam apenas de um meio com pH elevado para que se possam desenvolver de forma adequada. Este meio alcalino é, no betão, fornecido pelo hidróxido de cálcio que se liberta nas reacções de hidratação do cimento. Os betões com escórias apresentam menor calor de hidratação e maior resistência ao ataque químico. Os betões fabricados com adições do tipo II apresentam, em geral, menores resistências iniciais, mas a prazo (3 – 6 meses) exibem: maiores resistências mecânicas, em resultado da sua maior compacidade e do maior teor em silicatos de cálcio; maior resistência ao ataque químico devido à menor porosidade, menor teor em hidróxido de cálcio e maior resistência à penetração de cloretos. Refira-se que com a utilização de sílica de fumo o problema da redução de resistência inicial é eliminado devido à elevada finura deste material e à sua elevada reactividade [8]. 1.2.5. Adjuvantes Os adjuvantes são produtos que são adicionados em pequenas quantidades referidas à massa de cimento (< 5%), antes ou durante a amassadura, provocando as modificações requeridas das propriedades normais do betão fresco ou endurecido. Existem actualmente uma grande variedade de produtos com a finalidade de modificar as propriedades tecnológicas do betão, tornando difícil a sua classificação. Sob o ponto de vista prático, o que tem maior interesse são os efeitos que se procuram alcançar com a utilização de adjuvantes, sendo os principais os seguintes [7]: Melhorar a trabalhabilidade; Retardar a presa; Acelerar a presa; Acelerar o endurecimento nas primeiras idades; 27 Aumentar a resistência aos ciclos gelo-desgelo; Diminuir a permeabilidade; Criar uma ligeira expansão; Ajudar a bombagem; Inibir a corrosão de armaduras. Embora todos os adjuvantes sejam importantes para se atingir determinada propriedade para o betão, os que merecem maior atenção são os destinados a melhorar a trabalhabilidade. Conforme foi referido atrás, deve-se limitar ao mínimo a quantidade de água utilizada no fabrico do betão. Os adjuvantes têm aqui um papel importante, pois permitem reduzir a água de amassadura sem prejudicar a trabalhabilidade. Estes adjuvantes são designados por redutores de água, distinguindo-se dois tipos: os plastificantes e os superplastificantes. Os plastificantes permitem, em geral, uma redução de água da ordem de 5 a 15% mantendo a trabalhabilidade do betão. Os superplastificantes permitem reduções de água muito superiores, da ordem de 25 – 35% ou mais [7]. A actuação destes produtos no betão pode ser resumida da seguinte forma [8]: Redução da tensão superficial da água, aumentando a sua capacidade de alastramento sobre as superfícies das partículas e o seu poder de penetração; Efeito lubrificante, diminuindo o atrito existente entre as partículas finas e entre esta e a água; Efeito dispersor e desfloculante devido à absorção das moléculas do adjuvante pelas partículas sólidas que as torna electricamente carregadas e assim repelentes. Enquanto nos plastificantes o efeito lubrificante é preponderante, nos superplastificantes o efeito dispersor é predominante. Com estes tipos de adjuvantes consegue-se [8]: Aumentar a tensão de rotura; Reduzir a dosagem de cimento, sem alterar a tensão de rotura nem a trabalhabilidade; Aumentar a trabalhabilidade, mantendo as dosagens de água e cimento; Diminuir a porosidade e permeabilidade. Dado que as propriedades do betão dependem em grande parte da razão A/C, pode afirmar-se que o surgimento dos superplastificantes revolucionou de certa forma a utilização do betão, tornando possível colocá-lo e compactá-lo onde anteriormente não era viável e permitindo o fabrico de betões de alta resistência e alto desempenho. 28 Refira-se que actualmente é possível fabricar betões com razões água-cimento até valores da ordem de 0,2, atingindo resistências da ordem de 150 MPa. Estes betões são praticamente impermeáveis, apresentando características de durabilidade excepcionais, permitindo a utilização em ambiente extremamente agressivos sem que haja preocupações relativas à deterioração das construções [8]. 1.3. Composição do betão Sob o ponto de vista do projecto de estruturas interessam basicamente duas propriedades fundamentais a que o betão deve satisfazer: “resistência” e “durabilidade”. No entanto, para que estas propriedades possam ser atingidas é necessária que o betão possa ser colocado e compactado de forma adequada, surgindo assim uma terceira propriedade fundamental a trabalhabilidade. Desta forma, o estudo da composição do betão deve ser efectuado tendo por base o objectivo de, para cada situação particular, o betão atingir a resistência, durabilidade e trabalhabilidade adequadas. O comportamento do betão, para além da composição granulométrica dos agregados, depende essencialmente de três factores: do tipo e dosagem do ligante; da dosagem de água e dos adjuvantes. É certo também que a colocação, compactação, cura e protecção desempenham um papel fundamental para que um betão com determinada composição possa vir a desenvolver todas as suas potencialidades. A dosagem do ligante influencia essencialmente a trabalhabilidade, embora tenha também uma influência importante na resistênciae durabilidade do betão. As misturas quando são pobres em ligantes apresentam-se ásperas, pouco trabalháveis, com tendência a segregar e têm um acabamento superficial difícil. Quando são muito ricas em ligante apresentam-se excessivamente coesivas e aderentes sendo mais difíceis de colocar e compactar em obra [8]. Caso seja necessário utilizar misturas muito ricas em ligante, devido a exigências de resistência e/ou durabilidade, deve-se utilizar adjuvantes para minorar os efeitos atrás referidos. O tipo de ligante exerce uma influência importante na durabilidade do betão. Sob este aspecto, importa salientar o papel das adições activas que ao preencherem os espaços vazios entre as partículas de cimento conduzem a pastas mais compactas e, portanto, menos permeáveis. Por outro lado, aumentam a resistência do betão ao ataque químico por reduzirem a quantidade de hidróxido de cálcio originado durante a hidratação do cimento. A razão água-cimento (A/C) é o parâmetro que mais influencia as propriedades do betão. Quanto maior for o seu valor, mais porosa e permeável é a pasta de cimento, tornando o betão 29 menos resistente e mais sensível à acção dos agentes agressivos que originam a deterioração das estruturas. Importa referir que a razão água-cimento é definida como a razão entre a dosagem efectiva de água e a dosagem de cimento. A dosagem efectiva de água é a diferença entre a quantidade total de água presente no betão fresco e a quantidade de água absorvida pelos agregados. Isto significa que para o cálculo da razão A/C não é considerada a parcela de água absorvida pelos agregados dado que a sua influência no comportamento da pasta de cimento é desprezável. Nas Figuras 3 e 4 está ilustrado a influência da razão A/C na resistência à compressão do betão e na permeabilidade de pastas de cimento. Os resultados indicados mostram que duplicando a razão A/C a resistência é reduzida na ordem de 50% e que a permeabilidade aumenta acentuadamente com a razão A/C a partir de valores da ordem de 0,5. Para se obter betões de boa qualidade é sempre necessário limitar a razão A/C a valores baixos conforme se pode verificar nas figuras atrás referidas. A trabalhabilidade adequada pode ser obtida com a utilização de adjuvantes plastificantes [18]. Refere-se que a norma NP EN 206-1 impõe requisitos relativos à mínima dosagem de ligante e à máxima razão água-ligante que devem ser satisfeitos em função das diferentes classes de exposição ambiental de forma a assegurar uma durabilidade adequada para as estruturas. Figura 3 - Variação da tensão de rotura do betão com a razão A/C. Fonte: [8]. 30 Figura 4 - Influência da razão A/C na permeabilidade. Fonte: [8]. Outro factor importante na definição da composição do betão é a máxima dimensão do agregado. Esta deve ser escolhida de modo a que o betão possa ser colocado e compactado à volta das armaduras sem que haja segregação. A máxima dimensão do agregado não deve exceder [8]: Um quarto da menor dimensão do elemento estrutural; A distância livre entre os varões da armadura diminuídas de 5 mm; 1.3 vezes a espessura do recobrimento das armaduras. 1.4. Caracteríscas do betão convencional Nos tópicos que seguem será feita uma descrição das características do betão que realçam os objectivos desta pesquisa. 1.4.1. Resistência à compressão A resistência à compressão é a característica mecânica mais importante do betão, pois nas estruturas a função deste material é essencialmente resistir às tensões de compressão 31 enquanto as armaduras têm a função de resistir às tensões de tracção. A resistência à compressão é determinada em provetes submetidos a uma solicitação axial num ensaio de curta duração, isto é, com uma velocidade de carregamento elevada. Dado que a forma dos provetes, a velocidade de carregamento e outros factores tais como a idade do betão e as condições de cura têm uma influência significativa na resistência medida, os métodos de ensaio são normalizados [8]. Os provetes geralmente utilizados para determinar a resistência à compressão do betão têm a forma cúbica ou prismática, sendo, entre estes últimos, os cilindros com altura dupla do diâmetro os mais usuais. Na Figura 5 está indicada a relação entre a resistência medida em prismas e em cubos, verificando-se que a resistência do betão diminui com o aumento da esbelteza dos provetes. Figura 5 - Relação entre a resistência medida em provetes prismáticos e a resistência medida emprovetes cúbicos Fonte: [8]. A norma NP EN 206-1 estabelece que a resistência à compressão deve ser determinada em provetes cúbicos de 150 mm ou provetes cilíndricos de 150/300 mm. A resistência cilíndrica é da ordem de 0,80 da resistência cúbica. Esta diferença é originada pelo atrito entre as faces dos provetes e os pratos das prensas que impedem a deformação transversal do betão conduzindo a maiores valores da resistência. Este fenómeno é mais significativo nos provetes com menor esbelteza. Uma vez que o endurecimento do betão se processa ao longo do tempo, a resistência à compressão, tal como as outras características deste material, evolui também no tempo. Como para efeito de dimensionamento das estruturas se considera a resistência do betão aos 28 dias, estabeleceu-se esta idade para caracterizar esta propriedade. Assim, a resistência à compressão é determinada sobre moldes cilíndricos ou cúbicos, mantidos em condições saturadas, aos 28 dias de idade. A resistência do betão apresenta uma variabilidade significativa resultante quer da própria heterogeneidade do material, quer das condições de fabrico (controlo de qualidade). 32 Desta forma, a resistência não pode ser caracterizada apenas pelo valor médio dos resultados obtidos de ensaios de um determinado número de provetes. É necessário também ter em conta a dispersão dos valores. Adaptou-se, assim, o conceito de resistência característica que é um valor estatístico que tem em conta a média aritmética das tensões de rotura média (fcm) obtidas nos ensaios dos provetes e o coeficiente de variação () dos valores medidos. A resistência característica do betão (fck) é o valor que apresenta 95% de probabilidade de ser excedido, Figura 6. Figura 6 - Valor característico da resistência (fck). Fonte: [8]. Admitindo uma distribuição normal, a resistência característica é dada pela seguinte expressão [8]: 𝑓𝑐𝑘 = (1 − 1.64𝛿)𝑓𝑐𝑚 Em que: 𝑓𝑐𝑘 = (1 − 1.64𝛿)𝑓𝑐𝑚 e 𝛿 = √ 1 𝑛 ∑ ( 𝑓𝑐𝑖 − 𝑓𝑐𝑚 𝑓𝑐𝑚 ) 2𝑛 𝑖=1 (1) O coeficiente de variação é determinado essencialmente pela qualidade dos meios empregues para fabricar o betão que influenciam a precisão com que é efectuada a dosagem 33 dos seus componentes, pela organização do estaleiro e ainda pelo controlo exercido sobre o fabrico. Como valores de referência podem considerar-se os seguintes [8]: Condições de execução médias - = 0,20 a 0,25; Condições de execução boas - = 0,15 a 0,20; Condições de execução muito boas - = 0,10 a 0,15. Um coeficiente de variação superior a 0,25 não é admissível na execução de estruturas de betão armado. Quanto maior for o coeficiente de variação, maior é o afastamento entre o valor médio e o valor característico da resistência. Assim, existe toda a vantagem, sob o ponto de vista económico, em fabricar e controlar o betão de forma eficiente. 1.4.2 Consistência A consistência deve ser especificada através de uma classe ou, em casos especiais, através de um valor pretendido, tendo em consideração o método de ensaio mais adequado: Ensaio de Abaixamento; Ensaio de Vêbê; Ensaio de Compactação; Ensaio de Espalhamento. No entanto, o ensaio mais utilizado nas obras correntes é o Ensaio de Abaixamento, o qual também foi usado neste trabalho. Cada betão produzido é ensaiado, no seu estado fresco, ao abaixamento,através do Cone de Abrams, para determinar a sua consistência e fluidez. Este ensaio é adequado a mudanças de consistência do betão correspondentes a abaixamento entre 10 mm e 210 mm e deve obedecer ao exposto na NP EN 12350-2. [27] A metodologia de ensaio consiste em encher com betão fresco um molde metálico de forma tronco-cónica e dimensões normalizadas (com 30 cm de altura, 20 cm de diâmetro na base e 10 cm de diâmetro no topo), como representado na Figura 7, em 3 camadas compactadas com 25 pancadas cada uma (pancadas executadas com barra de compactação de dimensões normalizadas) e seguidamente esvaziar o molde (subindo-o), medindo-se o abaixamento do betão com uma régua de escala igualmente normalizada, como indicado na Figura 8. 34 Figura 7 – Cone de Abrams. Figura 8 – Medição do abaixamento Fonte: [9]. O ensaio só é válido se o abaixamento for verdadeiro, ou seja, se o abaixamento não deformar (ver Figura 9). Caso se sucedam dois ou mais abaixamentos deformados, tal indica que o betão não possui a plasticidade e coesão adequadas para efetuar o ensaio, devendo realizar-se uma nova amassadura. 35 a) b) Figura 9 – a) Abaixamento verdadeiro; b) Abaixamento deformado. Fonte: [9]. O resultado de cada ensaio de abaixamento deve encontrar-se dentro dos limites de consistência estabelecidos, que fazem corresponder diferentes classes a intervalos de diferentes valores de abaixamento, como indicado na Tabela 5. Tabela 5 - Classes de abaixamento do betão. Fonte: [9]. Existem, no entanto, algumas classes recomendadas, consoante as condições ambientais, o tipo de betão ou a sua aplicação de acordo com a Tabela 5 [4]: Betões para bombear → Classe ≥ S3 ; Pavimentos com meios tradicionais de colocação e acabamento → Classe ≥ S3; Superfícies com betão à vista → Classe ≥ S3; Elevado tempo de transporte e/ou clima quente → Classe ≥ S3; Betões de alta resistência → Classe ≥ S4 36 CAPÍTULO II. BETÃO COM RESÍDUO DE VIDRO LAMINADO (BRVL) 2.1. O vidro O vidro é uma substância inorgânica, amorfa e fisicamente homogênea. É obtido a partir do aquecimento de óxidos ou seus derivados até uma temperatura entre 1.600ºC e 1.800ºC. Nessa temperatura os constituintes do vidro se tornam fluídos podendo passar pelo processo de moldagem e após essa etapa são resfriados em condições bastante controladas. Em geral, os vidros possuem como constituinte principal a sílica ou o óxido de silício - 𝑆𝑖𝑂2 (Tabela 6). Segundo Fragata et al. (2007) o vidro no estado amorfo é constituído essencialmente por sílica (𝑆𝑖𝑂2 - 72,5%) e uma menor percentagem de sódio (𝑁𝑎2𝑂 - 13,2%) e cálcio (𝐶𝑎𝑂 - 9,18%) [15]. Na Tabela 7 é possível visualizar algumas composições químicas do vidro pesquisadas por diferentes autores, em estudos com aplicação do resíduo de vidro na produção de outros materiais. Tabela 6 - Composição do vidro Fonte: [28]. 37 Tabela 7 - Composições químicas do resíduo de vidro utilizado em pesquisas Fonte: [32, 31, 13]. Na Tabela 8 é apresentada a composição química dos cimentos utilizados em algumas pesquisas com foco na utilização de resíduos de vidro a fim de comparações com a composição química do resíduo de vidro. Tabela 8 - Composição química do cimento utilizado em algumas pesquisas Fonte: [32, 31, 13]. Com as Tabelas apresentadas, pode-se fazer uma comparação inicial dos principais componentes da composição do resíduo de vidro e do cimento. Os óxidos 𝑆𝑖𝑂2, 𝐴𝑙2𝑂3 e 𝐶𝑎𝑂 fazem parte do sistema ternário da composição química dos principais cimentos encontrados 38 no mercado e ao analisar as composições químicas do resíduo de vidro apresentadas na Tabela 8, verifica-se que os óxidos somados ultrapassam 70% do total, o que indica esse resíduo como um material para fins cimentícios. Dessa forma é possível concluir que a substituição do resíduo de vidro por cimento em argamassas e betões, possui grandes probabilidades de ser viável. 2.2 A recilagem do vidro O crescimento da população e da economia mundial tem provocado um aumento considerável do consumo de materiais. A geração de resíduos torna-se inevitável e a busca por alternativas para o destino desses resíduos torna-se cada vez mais comum entre as indústrias. A preocupação com resíduos de maneira geral é pequena em Angola quando comparado com outros países. Existe a falta de estudos em Angola a cerca da utilização de resíduos na produção de novos materiais, porém não há uma política do governo de incentivo a compra de produtos ambientalmente saudáveis que privilegia produtos contendo resíduos. Na Tabela 9 são apresentados os índices de reciclagem de garrafas de vidro em diversos países. Tabela 9 - Reciclagem de embalagens de vidro no mundo (2011) Fonte: [22]. Em regra, os resíduos deveriam ser tratados e depositados no local em que foram gerados. Todavia, isso raramente acontece devido à falta de planeamento das indústrias no momento da concepção do projecto. Tal debilidade leva as indústrias a procurarem o destino final para os resíduos gerados longe do local de remessa. 39 Dessa forma, o vidro laminado utilizado na construção civil, após sua vida útil, deve retornar para as suas beneficiadoras e estas são responsáveis pelo destino final do resíduo de vidro. Algumas empresas optam por encaminhar os vidros laminados inutilizados para uma fábrica de reciclagem a qual é responsável por separar as duas camadas do vidro da película intermediária do PVB através de processos de moagens. 2.3 Incorporação do resíduo de vidro laminado na produção de betão As pesquisas analisadas avaliaram a incorporação do resíduo de vidro como substituto parcial do agregado grosso, agregado fino ou do material cimentício no preparo de betão. Uma das restrições apontadas por alguns pesquisadores para utilização do vidro no preparo de betões é a provável ocorrência de reação álcali-sílica (RAS) entre os álcalis do cimento e a sílica presente no vidro. Taha e Nounu (2009) afirmam que a utilização do resíduo de vidro como substituto da areia em betões possui alto risco de ocorrência da reação álcali-sílica, o que pode gerar fissuras e danos à durabilidade do betão. Os autores concluíram que para evitar a ocorrência de RAS deverá ser utilizado algum supressor desse tipo de reacção, tais como escória de alto forno, metacaulim, pó de vidro pozolânico e nitrato de lítio. Shi e Zeng (2007) também afirmam que para contornar a expansão devido a RAS podem ser utilizados adições minerais e um cimento pozolânico. Diversos autores relatam que o tamanho das partículas pode influenciar directamente no aparecimento da reação álcali-sílica, prejudicando fortemente a durabilidade das estruturas de betão. Ismail e Al-Hashmi (2009), Idir, Cyr e Tagnit-Hamou (2011), Shi et al. (2005), Ling e Poon (2012) e outros afirmam que as expansões devido a RAS são controladas quando o resíduo de vidro utilizado apresenta uma granulometria fina. O vidro é um material amorfo e de acordo com sua composição química possui altos níveis de sílica que é um dos requisitos primários para seu funcionamento como material pozolânico. Outro requisito para a determinação do grau de pozolanicidade é a dimensão das partículas uma vez que a reactividade aumenta com a diminuição do tamanho das mesmas. 2.3.1 Propriedades do betão com resíduo de vidro laminado no estado fresco A importância da trabalhabilidade em tecnologia do betão é alta, independente da sofisticação usada nos procedimentos de dosagem. Uma mistura de betão que não possa ser lançada facilmente ou compactada em sua totalidade provavelmente não apresentará características de resistência e durabilidade esperadas [21]. 40 A trabalhabilidade do betão é influenciada por factoresintrínsecos ao betão tais como relação água/materiais secos, tipo e consumo de cimento, traço, teor de argamassa e agregados. Além dos factores intrínsecos existem factores externos de influência como as condições de transporte, lançamento, densidade e distribuição das armaduras e outros. Nassar e Soroushian (2012) verificaram que à medida que aumentava o teor de substituição de cimento por resíduo de vidro um ligeiro aumento na consistência do betão era verificado. Já nos estudos de Antônio (2012) e Shayan e Xu (2006) as misturas que tiveram a substituição do cimento pelo resíduo de vidro apresentaram diminuição da consistência à medida que o teor de substituição aumentava. Nos estudos de Taha e Nounu (2008, 2009) E Cassar e Camilleri (2012) o ensaio de consistência pelo abaixamento do tronco de cone não mostrou variação nos resultados nas amostras com substituição do cimento pelo resíduo de vidro. Taha e Nounu (2008) ainda afirmam que a incorporação do resíduo trouxe melhorias para as propriedades do betão no estado fresco em razão das propriedades de forma e textura das partículas de vidro. Os efeitos a cerca da massa específica dos betões com resíduo de vidro relatados nos estudos de Nassar e Soroushian (2012) e Shayan e Xu (2006) foi que a medida que se aumentava o teor de resíduo de vidro na mistura a densidade diminuía já que à densidade das partículas de vidro eram inferiores à densidade do cimento. Esses estudos corroboram os resultados de Taha e Nounu (2008, 2009) que também verificaram a diminuição da densidade do betão devido à substituição do cimento pelo resíduo de vidro. Os autores também atribuem o efeito da diminuição da densidade do betão à menor massa específica do resíduo de vidro em comparação com a do cimento. Já nos estudos de Chidiac e Mihaljevic (2011) só houve diferença significativa para os resultados de densidade do betão, nas misturas com teor de substituição de 25% as quais foram ligeiramente mais baixas do que as amostras de controle. A densidade dos betões com 10% de substituição se equiparou com a densidade do betão convencional. Cassar e Camilleri (2012) estudaram betões com teores de substituição do cimento pelo resíduo de vidro em proporções de 10 a 50%. Os autores verificaram que apenas para as misturas com 50% de substituição, a densidade foi menor do que o betão convencional, enquanto os betões com teores de substituição de 10 a 40% não houve diferença significativa com os resultados apresentados pelo betão convencional. 41 2.3.2 Propriedades do betão com resíduo de vidro laminado no estado endurecido O betão é um dos materiais mais consumidos no mundo, o que o torna um material de grande importância para a construção civil. Os requisitos de desempenho mais solicitados do betão, no estado endurecido, são a resistência e a durabilidade, sendo que essas propriedades são dependentes tanto das propriedades e proporções dos materiais que constituem o betão como dos procedimentos de execução do mesmo. As principais propriedades mecânicas do betão são resistência à compressão, resistência à tracção e módulo de elasticidade. Essas propriedades poderão ser influenciadas com a incorporação de resíduos na matriz do betão e em alguns casos podem ser até mesmo aperfeiçoadas. As propriedades mecânicas dos betões produzidos com a substituição parcial do cimento por resíduo de vidro estão sendo assuntos de algumas pesquisas uma vez que esse resíduo poderá aprimorá-las em função das possíveis reacções pozolânicas. Taha e Nounu (2008) verificaram uma diminuição de 16% na resistência à compressão aos 28 dias dos betões com substituição de 20% do cimento pelo resíduo de vidro. Apesar da diminuição os autores concluíram ser viável a substituição de parte do cimento pelo vidro finamente moído de forma a aproveitar suas propriedades pozolânicas. Cassar e Camilleri (2012) verificaram que das misturas com substituições de 0 a 50% de cimento por resíduo de vidro, apenas os betões com 50% de teor de substituição não alcançaram a resistência à compressão projectada de 30 MPa. Os autores verificaram também que com o aumento da substituição a resistência à compressão dos betões diminuía. Cassar e Camilleri (2012) concluíram que o tamanho das partículas usadas na pesquisa (entre 100-600 μm) eram superiores ao tamanho ideal para haver reacções pozolânicas relatado em outros estudos. Ao comparar os resultados de resistência à compressão aos 28 e 90 dias confirmou-se a inexistência de reacções pozolânicas, uma vez que não houve diferença entre os valores apresentados. Segundo Chen et al. (2006) o vidro pode ser utilizado como substituto do cimento dependendo do tamanho das partículas, as quais devem ser inferiores a 75 μm para que haja reacção pozolânica e consequentemente ganhos na resistência do betão. Os autores estudaram betões com substituição parcial do cimento e areia por partículas de vidro finamente moídas (módulo de finura igual à 0,94). Os resultados de resistência à compressão das misturas com substituição apresentaram-se inferiores aos resultados dos betões convencionais (sem substituição) em todas as idades. 42 Shayan e Xu (2004) verificaram que há um grande potencial na utilização de resíduo de vidro em betão, principalmente quando este é usado na forma de pó. Os autores verificaram que os betões com teores de substituição do cimento pelo resíduo de vidro apresentaram valores de resistência à compressão mais baixa do que as amostras de convencionais devido ao teor de cimento ser mais baixo nessas misturas, porém com o decorrer da idade os betões com substituição foram ganhando resistência de forma a se aproximar do betão convencional (Figura 10). Figura 10 – Resistência à compressão dos betões com resíduo de vidro Fonte: [30]. Chidiac e Mihaljevic (2011) estudaram a incorporação de resíduo de vidro na preparação de blocos de betão. Os autores avaliaram a substituição de 10 e 25% do cimento pelo resíduo de vidro para a preparação dos betões. Os resultados de resistência à compressão dos blocos preparados com betão com resíduo de vidro atingiram a resistência mínima exigida e em um ano as amostras com 10% alcançaram a resistência da amostra de controle. Shao et Al. (2000) pesquisaram o uso de sílica activa, vidro finamente moído e cinzas volantes em substituição ao cimento no betão. Eles utilizaram substituições de até 30% do cimento e partículas com dimensões de 150 μm, 75 μm, e 38 μm. Os autores verificaram que para substituições do cimento por partículas de vidro com granulometria de 38 μm as propriedades mecânicas foram aprimoradas em função das reações pozolânicas, sendo que os betões com 30% de substituição do cimento por vidro com essa granulometria tiveram um ganho de 120% na resistência até os 90 dias. Nassar e Soroushian (2012) utilizaram resíduo de vidro com partículas de tamanho médio de 13 μm como substituto parcial do cimento na preparação de betões com agregados reciclados. A utilização do resíduo de vidro nessa pesquisa teve o intuito de aproveitar suas 43 propriedades pozolânicas de forma a melhorar as propriedades dos betões com agregados reciclados. Os resultados foram betões com uma maior durabilidade que apresentaram valores satisfatórios nos ensaios de absorção, permeabilidade e ataque por cloretos. A resistência desses betões com resíduo de vidro apresentou bons resultados em idade mais avançada, por meio da melhoria das características dos poros, pois houve preenchimento dos mesmos pelas partículas de vidro, e a conversão de CH para C-S-H disponível na pasta de argamassa de cimento. Segundo Nassar e Soroushian (2012) o aumento significativo da resistência em idade posterior (56 dias) foi conseguido através da formação de uma microestrutura densa e menos permeável, que deve ser o resultado do efeito de enchimento dos poros pelas partículas
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