UTILIZAÇÃO DO PÓ DE ACIARIA (PAE) COMO ADIÇÃO AO CONCRETO
A.T.Machado, A.L.R.Tachard, D.V.Ribeiro, R.J.C.Cardoso
Rua Aristides Novis, 02, Federação. CEP 40210-630. E- mail: [email protected]
Universidade Federal da Bahia – Departamento de Ciência e Tecnologia dos Materiais
RESUMO
Atualmente, a reciclagem de resíduos sólidos vem se consolidando, principalmente para a
obtenção de materiais alternativos para a construção civil, tal como ocorre com a escória de alto
forno e a cinza da casca de arroz (utilizadas como adição no cimento), com o entulho de
construção e pó do corte de granito (utilizados como agregados). Porém, alguns resíduos, tal como
o pó de aciaria elétrica (PAE), apresentam comportamento agressivo tanto ao homem quanto ao
meio ambiente por apresentarem espécies químicas perigosas em sua composição, tais como o
chumbo, o zinco e o cromo. No presente trabalho, é apresentada uma alternativa de reciclagem
para o PAE – resíduo retido no sistema de despoeiramento das siderúrgicas durante o processo de
fabricação do aço. Foi avaliado o comportamento mecânico e ambiental do concreto de média
resistência (cerca de 20 MPa) contendo adição do PAE nos teores de (10, 15, 20 e 25) %, em
relação à massa de cimento. Os resultados preliminares indicam um aumento de 69,2 % na
resistência à compressão axial do concreto contendo 15 % de PAE e aumento de 81,2 % para o
concreto com 20 % de PAE. Além disso, observou-se um retardamento no ganho de resistência
mecânica dos corpos- de-prova com teores de PAE acima de 10 %.
Palavras-chaves: pó de aciaria; resíduo; concreto; adição.
INTRODUÇÃO
Os resíduos sólidos ou subprodutos oriundos de atividades industriais têm se tornado objeto de
inúmeras pesquisas que visam a reutilização desses materiais no ciclo de vida dos materiais.
Nesse contexto, os resíduos industriais merecem atenção especial por apresentarem em sua
composição química elementos perigosos ao homem e ao meio ambiente.
Uma das soluções encontradas para a destinação final dos resíduos industriais é sua incorporação
a uma matriz, seja cerâmica ou polimérica, visando o encapsulamento das substâncias
potencialmente perigosas. Esse processo de fixação de contaminantes promove adequação
ambiental de produtos alternativos que contenham resíduos na sua composição.
Na produção do aço, existem três processos principais: Open Hearth (OH), Basic Oxygen Furnace
(BOF) e Electric Arc Furnace (EAF). O principio de produção do aço baseia-se em procedimentos
de oxidação do minério de ferro e da sucata metálica que reduzem elementos secundários, como o
C, Mn, P e o Si, aos níveis desejados (ILFA,1995). O propósito principal do processo de produção
do aço a partir do ferro gusa é a redução dos teores de carbono de 4 % para níveis inferiores a 1 %
(usualmente, < 0.1%), além de outros elementos como enxofre ou fósforo. No processo por forno
elétrico de fusão, é gerado um arco elétrico de corrente, contínua ou alternada, por onde passa
uma corrente elétrica que aquece um resistor de grafite (ou carvão amorfo) elevando a temperatura
do metal até a fusão — aproximadamente 1600 °C [1]. Nestes processos são gerados dois
1
resíduos principais, a escória (EAFS ) e o pó (PAE) de aciaria. A escória de aciaria contém grande
quantidade de CaO, SiO2 , FeO, Fe2O 3, MnO, Al 2O 3, MgO e uma quantidade menor de TiO2 , P 2O 5,
S, Cr2O 3, V2 U5 , etc. [2]. O PAE é um resíduo extremamente fino, retido no sistema de controle de
despoeiramento das indústrias de aço e coletado por meio de dutos aspiradores. Sua geração
aproximada é na ordem de 1,7 % da massa de aço produzido, o que em 2001 representou cerca
de 450.000 t. Devido à presença relevante de metais pesados em sua composição química, tal
resíduo é classificado como sendo classe I (perigoso) e de difícil reciclagem. Estes metais pesados
são provenientes, principalmente da sucata metálica utilizada na fundição do aço juntamente com
1
EAFS — Electric Arc Furnace Slag
1272
2
o minério de ferro . Assim, o teor de metais pesados no PAE está intimamente relacionado ao
percentual de sucata utilizada na aciaria e com o tipo de matérias-primas utilizadas no forno ou no
conversor.
Atualmente têm -se estudado algumas aplicações para o PAE, como na composição de blocos
cerâmicos, formados por 60% de argila, 20% de areia e 20% de resíduo e como corante para
matrizes de cimento Potland. Na fabricação de cerâmica o composto atendeu aos requisitos de
disposição de resíduos perigosos, notadamente aos limites de lixiviados e às emissões gasosas,
tendo ainda uma menor temperatura de queima [3]. Neste trabalho, são apresentados alguns
resultados obtidos com a utilização do pó de aciaria elétrica como adição ao concreto. Como
análise inicial, foi observado o comportamento do concreto quanto à sua resistência mecânica,
além de sua adequação às normas ambientais (ensaios de lixiviação e solubilização).
MATERIAIS E MÉTODOS
A areia (agregado miúdo) e a brita (agregado graúdo) utilizadas na elaboração do concreto foram
provenientes das jazidas da Região Metropolitana de Salvador, com características físicas
descritas na Tabela I:
Tabela I. Caracterização física dos agregados utilizados
Indice
físico
AREIA
BRITA
Massa unitária
NBR 7251/82
3
µ = 0,88 g/cm
3
µ = 1,54 g/cm
Massa específica
NBR 9776/87 (areia)
NBR 9937/87 (brita)
Granulometria
NBR 7217/87
ρ = 2,62 g/cm
3
Dimensão máx. = 0,6 mm
ρ = 2,85 g/cm
3
Dimensão máx. = 19 mm
O pó de aciaria usado como adição foi proveniente do processo de Forno de Arco Elétrico (EAF).
Para a determinação de alguns dos seus parâmetros físicos, foram adaptados procedimentos
especificados em norma para cimento, devido a elevada finura do resíduo (Tabela II). Quanto à
determinação da distribuição granulométrica, foi realizado o ensaio de sedimentação aplicado às
argilas — partículas com diâmetro inferior a 0,075mm — cujo resultado encontra-se representado
na Figura I.
Tabela II. Caracterização física do pó de aciaria elétrica
2
Índice físico
Massa específica
NBR NM 23
Pó de Aciaria Elétrica
ρ = 4,08 g/cm
3
Superfície específica
NBR NM 76 / 98
2
S = 7310 cm / g
Em muitos casos a sucata é contaminada por zinco, utilizado no processo de galvanização do material.
1273
100
Percentagem que passa (%)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,001
0,01
0,1
1
10
100
Tamanho das Partículas (mm)
Figura I. Distribuição granulométrica do pó de aciaria elétrica (PAE)
Para a avaliação do produto (concreto contendo PAE), foram moldados cinco conjuntos de corposde-prova com diferentes teores de adição do resíduo, assim denominados: CP1 – 0% de resíduo
(concreto convencional —- Referência); CP2 – concreto contendo 10% de PAE (em relação à
massa de cimento); CP3 – adição de 15% de PAE; CP4 – adição de 20% de PAE; CP5 – adição
de 25% de PAE. O principal parâmetro de dosagem foi a trabalhabilidade, obtida com 560 litros de
argamassa por metro cúbico de concreto e consumo de cimento de 350 kg /m³. Foi fixada a relação
água/cimento em 0,54 e utilizado aditivo plastificante no teor de 0,2 % (da massa de cimento).
Os ensaios mecânicos realizados avaliaram a resistência do concreto à compressão axial (NBR
5739/94) e à tração por compressão diametral (NBR 7222/94), sendo possível comparar a
influência da adição do PAE nestas propriedades. Para os corpos -de-prova CP2 a CP5 foram
também realizados os ensaios de lixiviação (NBR 10005) e solubilização (NBR 10006), a fim de se
observar o comportamento ambiental do concreto contendo resíduo.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Concreto fresco
A primeira característica observada nos corpos -de-prova adicionados com pó de aciaria elétrica foi
o retardo no tempo de pega. No concreto convencional, o corpo-de-prova é colocado em cura 24
horas e após este período os mesmos já se apresentam com elevada resistência mecânica. Este
fenômeno não pôde ser observado nos CP2 (10 %) a CP5 (25 %). Nestes últimos, notou-se que,
após esse período, a superfície superior do corpo-de- prova ainda não apresentava sinais de
endurecimento simulando a ação de um aditivo retardador de pega.
Na composição típica do pó de aciaria encontra-se elevados teores de Fe2O 3 (média de 45,6 %),
ZnO (10 %) e PbO (até 2 %). Por sua vez, a ação dos aditivos retardadores de pega do cimento
Portland é apresentada, dentre outros elementos, pelos sais solúveis de zinco [4,8].De modo
particular, estudos já comprovaram que o óxido de zinco retarda fortemente o tempo de pega do
cimento, e que este efeito é aumentado na presença de óxidos de outros metais. Mostrou-se que
uma camada amorfa de Zn(OH) 2 é formada durante a hidratação da fase C3 S na presença de Zn,
retardando, então, a hidratação desta fase. Semelhantemente, a etringita não é formada na
presença de PbO [5]. Dada a composição química do PAE, estas podem ser as possíveis razões
3
do retardo no tempo de pega dos corpos-de-prova observados .
3
Este tópico faz parte de um outro estudo que identifica os efeitos do uso do pó de aciaria elétrica
em matrizes de cimento Portland.
1274
Além disso, o tempo necessário para o desmolde — tomado em intervalos de 24 horas — foi
variável entre as diferentes composições. Para o CP2, aguardou-se 48 horas para que fosse
colocado em cura; os CP3 e CP4 apresentaram características de endurecimento completo apenas
72 horas após a moldagem. Já a composição CP5, mesmo após 72 horas e apresentando um
relativo enrijecimento superficial, resultou em corpos -de-prova que sofreram desagregação dos
materiais quando colocados em cura; este fenômeno não permitiu a realização dos ensaios de
compressão nem aqueles relativos ao comportamento ambiental. Experimentos estão sendo
realizados no sentido de determinar se tal adição de PAE exige um tempo de cura ainda maior ou
se a quantidade de resíduo foi responsável pela hidratação insatisfatória do cimento e dos
agregados.
Concreto endurecido
Os resultados obtidos de resistência à compressão axial aos 28 dias estão demonstrados na
Figura II. V erificou-se que a adição de pó de aciaria elétrica resultou no aumento da resistência do
concreto de acordo com o percentual adicionado. A tendência de crescimento na resistência dos
corpos-de-prova foi mantida no intervalo observado — de CP1 (0 %) a CP4 (2 0 %). O concreto
convencional CP1, sem adição de resíduo, apresentou resistência característica de 25 MPa aos 28
dias; adicionando-se 10 % de pó de aciaria (CP2), em relação à massa de cimento, foi observado
um aumento de cerca de 35 % na resistência. Já as composições CP3 e CP4 apresentaram um
aumento de resistência de cerca de 69 % e 81 %, respectivamente, em relação ao concreto padrão
CP1.
Em relação à resistência à tração por compressão diametral (idade de 28 dias), a adição do pó de
aciaria elétrica também se mostrou favorável. Excetuando-se o concreto CP3, que manteve
praticamente o mesmo desempenho do concreto convencional (resultado a ser revisto), as outras
composições apresentaram aumento na resistência de 17,5 % (CP2) e 28,6 % (CP4).
O principal fator que pode justificar esta melhora de desempenho mecânico é associado ao efeito
filler, reduzindo a porosidade do concreto.
42,3
Resistência à compressão
aos 28 dias (MPa)
50
45
33,8
40
35
30
45,3
25,0
25
20
15
10
5
0
CP1 (0%)
CP2 (10%)
CP3 (15%)
CP4 (20%)
Figura II. Resistência à compressão axial dos concretos CP1 a CP5 (aos 28 d ias, em MPa)
1275
Formatado: Cor da fonte:
Automática
Excluído: Figura II
5,30
6
4,84
Resistência à tração
aos 28 dias (MPa)
5
4,12
4,09
4
3
2
1
0
CP1 (0%)
CP2 (10%)
CP3 (15%)
CP4 (20%)
Figura III. Resistência à tração por compressão diametral dos concretos CP1 a CP5 (aos 28
dias, em MPa)
Comportamento ambiental
As Tabela II e Tabela III trazem os resultados relativos aos ensaios de lixiviação e solubilização
realizados nos concretos CP2 a CP4. Os resultados obtidos nestes ensaios classificam os
materiais quanto aos seus riscos ambientais, para que possam ser manipulados e armazenados de
forma adequada. Conforme as normas NBR 10005 e NBR 10006, se o nível de um dos indicadores
do ensaio de lixiviação exceder os limites prescritos, a amostra será classificada como Classe I. De
forma semelhante, para o ensaio de solubilização, níveis de elementos químicos acima dos limites
máximos implicam na classificação da amostra como sendo Classe II.
Assim, o concreto em estudo pode ser enquadrado como não inerte, devido unicamente à
concentração de alumínio acima do limite máximo.
Tabela III. Resultados do ensaio de lixiviação
Teste de lixiviação - NBR 10.005
Parâmetros
Bário
Cádmio
Chumbo
Cromo
Prata
Limite (mg/l) 10% de PAE 15% de PAE 20% de PAE
100.00
0.2600
0.3300
0.1100
0.50
< 0,0020
< 0,0020
< 0,0020
5.00
0,4000
0.0600
< 0,0100
5.00
< 0,0060
< 0,0060
< 0,0060
5.00
< 0,0020
< 0,0020
< 0,0020
Tabela IV. Resultados do ensaio de solubilização
Teste de Solubilização - NBR 10.006 (prova 1)
Parâmetros
Bário
Cádmio
Chumbo
Cromo
Prata
Zinco
Ferro
Cobre
Limite (mg/l) 10% de PAE 15% de PAE 20% de PAE
1.00
0.5400
0.6600
0.4500
0.01
< 0,0020
< 0,0020
< 0,0020
0.05
< 0,0100
< 0,0100
< 0,0100
0.10
< 0,0060
< 0,0060
< 0,0060
0.05
< 0,0020
< 0,0020
< 0,0020
5.00
< 0,0100
0,0213
0,1013
0.00
< 0,0060
< 0,0060
< 0,0060
0.30
< 0,0030
0.0100
0.0100
1276
Alumínio
Sulfato
Nitrato
Parâmetros
Bário
Cádmio
Chumbo
Cromo
Prata
Zinco
Ferro
Cobre
Alumínio
Sulfato
Nitrato
0.20
0.9300
0.6900
400.00
17.1300
8.2600
10.00
0.8110
0.9350
Teste de Solubilização - NBR 10.006 (prova 2)
0.5900
27.7300
0.8650
Limite (mg/l) 10% de PAE 15% de PAE 20% de PAE
1.00
0.3000
0.7800
0.4100
0.01
< 0,0020
< 0,0020
< 0,0020
0.05
< 0,0100
< 0,0100
< 0,0100
0.10
< 0,0060
< 0,0060
< 0,0060
0.05
< 0,0020
< 0,0020
< 0,0020
5.00
< 0,0100
0,0234
0,0291
0.00
< 0,0060
< 0,0060
< 0,0060
0.30
< 0,0030
0.0100
< 0,0030
0.20
1.1900
0.6600
0.5700
400.00
16.7500
15.6700
15.7800
10.00
0.9960
0.8510
0.9870
CONCLUSÕES
A partir dos resultados descritos, pode-se concluir que:
Ø O pó de aciaria elétrica, de composição semelhante ao estudado, apresenta -se como um
resíduo que pode ser utilizado como adição ao concreto, garantindo, assim, uma
disposição ambientalmente adequada;
Ø A adição de pó de aciaria elétrica ao concreto, até um limite de 20% em relação à massa
de cimento, confere ao produto melhoria nas propriedades mecânicas de resistência,
principalmente à compressão axial. Necessita-se de estudos posteriores no sentido de
observar o comportamento do concreto adicionado de teores mais elevados de PAE.
Entretanto, espera-se que, nestas condições, seja necessário esperar mais do que 72
horas para que seja iniciada a cura do concreto, devido ao retardamento do ganho de
resistência dos corpos- de-prova.
Ø O concreto contendo pó de aciaria elétrica mostrou-se adequado em relação ao
desempenho ambiental, atendendo aos requisitos da Norma Brasileira em relação aos
limites de elementos químicos lixiviados.
REFERÊNCIAS
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das escórias de aciaria. São Paulo, 2000.
[2] Lee, F.T.; Lee, C.H. Study on the reduction behavior of FeO in EAF slag. Steel Times
International. 1995.
[3] Dominguez, E. e Ullmann, R., 1996. ‘Ecological bricks’ made with clays and steel dust polluants.
Applied Clay Science 11 (1996) 237-249
[4] Neville, A. M. Propriedades do Concreto. 2a. ed. São Paulo: Pini, 1997
[5] Olmo, I.F.; Chacon, E.; Irabien, A. 2001. Influence of lead, zinc, iron (III) and chromium (III)
oxides on the setting time and strength development of Pórtland cement. Cement and Concrete
Research 31 (2001) 1213-1219.
[6] IBS – Instituto Brasileiro de Siderurgia. Identificação e seleção de tecnologias para tratamento
e/ou reciclagem de pós de aciarias elétricas. Relatório final. Planejamento estratégico. 1994
[7] IBS – Instituto Brasileiro de Siderurgia. URL: www.ibs.org.br
[8] Ramachandran, V. S. “ Concrete Admixtures Handbook — Properties, Science and Technology”
1277
UTILIZATION OF EAF DUST AS A DDITION TO CONCRETE
ABSTRACT
The solid wastes recycling has been increasing mainly to obtain alternative materials for building
industry, such as the blast furnace slag and the rice ash (used as addition in the cement), the
construction and demolition waste and the granite cut powder (used as aggregates). However,
some wastes (EAF dust, for example) are aggressive to both, human beings and environment,
because they are composed by harmful chemical elements such as lead, zinc and chromium. In
present work, an alternative to recycle the EAF dust is showed. EAF dust is a waste retained in dust
filter system of steel industries during the steel making process. Concrete mechanical and
environmental performance were evaluated; the samples had EAF dust addition in rate of 10%,
15%, 20% e 25%, about cement mass. Preliminary results show that the addition of 15 % of EAF
dust increases the compressive strength in 69,2 % whereas the addition of 20 % increases this
strength in 81,2 %. Besides, it was noted a retard of the setting time in the samples containing more
than 10 % of EAF dust in their composition.
Keywords: EAF dust; waste; concrete; addition
AGRADECIMENTOS
FAPESB — Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado da Bahia
CNPq — Conselho Nacional de Desenvol vimento Científico e Tecnológico
UFBA — Universidade Federal da Bahia
DCTM — Departamento de Ciência e Tecnologia dos Materiais
RECICLAR - BAHIA / DCTM / UFBA
1278