AVALIAÇÃO DA PERDA DE MASSA APÓS FERVURA DO AGREGADO CALCINADO
DE RESÍDUO DE MINERAÇÃO
Marcio Aurelio Friber 1; Daniel Corrêa Galhardo2; Antonio Carlos Rodrigues Guimarães³
RESUMO
A grande quantidade de resíduo gerado pela produção de minério de ferro em minas de Minas Gerais, está fazendo com
que as mineradoras venham buscar maneiras mais sustentáveis para sua disposição. Sem qualquer reutilização, estes
materiais acabariam por encontrar o caminho dos aterros sanitários. Maneiras mais sustentáveis como a utilização
destes resíduos na construção civil e na construção de estradas está sendo cada vez mais pesquisada, resultando assim
tanto na diminuição da disposição destes resíduos na natureza, como na redução da exploração de minerais naturais,
além de gerar uma possível redução no custo das obras, viabilizando assim o reaproveitamento deste resíduo em obras
de engenharia. Foi analisada nessa pesquisa a potencialidade quanto à degradação da adição do resíduo de mineração
em argilas, visando a fabricação de agregados graúdos sintéticos para utilização em camadas de pavimento como base,
sub-base e capa de rolamento. Nesta pesquisa foram realizados ensaios de caracterização física do resíduo e da argila,
confecção dos agregados calcinados em temperaturas que variaram de 800ºC à 1100ºC e análise destes agregados
visando analisar a degradação dos mesmos, através do ensaio de perda de massa após fervura. Os ensaios de perda de
massa por fervura apresentaram valores dentro dos limites estabelecidos por norma, menores que 10%, para temperatura
acima de 900ºC, sendo que o agregado produzido à partir da mistura argila-resíduo apresentou perda de massa muito
menores que os produzidos com argila pura à partir de 1100ºC.
ABSTRACT
The large amount of waste generated by the production of iron ore in Minas Gerais mines, is causing mining companies
will seek more sustainable ways for their disposal. Without any re-use, these materials would eventually find their way
from landfills. More sustainable ways in which the use of waste in construction and in road construction is being
increasingly investigated, resulting in reducing the disposal of this waste in nature, as in reducing the exploitation of
natural minerals, and generate a possible reduction the cost of the works, thus enabling the reuse of this waste in civil
works. Was assessed in this study as to the potential degradation of the addition of the clay mining residue, aiming at
manufacturing of synthetic coarse aggregate for use in pavement layers as base and sub-base bearing cup. In this
research were conducted physical characterization assays of the residue and clay, calcined aggregate of cooking
temperatures ranging from 800 ° C to 1100 ° C and analysis of these aggregates in order to analyze the degradation
thereof by weight loss after boil test. The loss of mass by boiling tests showed values within the limits set by standard,
less than 10% for temperatures above 900 ° C, and the aggregate produced from residue-clay mixture showed much
lower weight loss than those produced by pure clay starting at 1100 ° C.
INTRODUÇÃO
A exploração de recursos minerais que promovem o desenvolvimento da economia e da sociedade,
mas que também geram sobrecarga enorme de rejeitos pode poluir o ambiente de forma irreversível.
Portanto, utilização abrangente de resíduos/rejeitos é importante para salvar os recursos naturais,
melhorando ambiente e para o desenvolvimento sustentável.
A falta de jazidas naturais em algumas partes do país faz com que os agregados sejam transportados
por grandes distâncias, aumentado do custo da obra, além de sobrecarregar a malha rodoviária,
prejudicando as pistas de rolamentos e aumentado à poluição devido à emissão de gases poluentes.
Mesmo quando há ocorrência de jazidas naturais próximas aos centros urbanos, a exploração pode
ser preocupante ou até mesmo negada pelos órgãos competentes, pois a atividade de pedreiras
requer o uso de explosivos e detonantes.
Conforme Ribeiro et al (2007), entende-se por agregado artificial de argila aquele proveniente da
transformação de um solo ou folhelho argiloso, previamente processado, em um material inerte e
com resistência mecânica satisfatória a uma determinada finalidade.
Os agregados artificiais se tornam uma alternativa para a construção civil quando, os impactos
ambientais causados pela exploração de agregados naturais ou a distância das pedreiras ou portos de
areia para o mercado consumidor, por exemplo, apareçam como gargalos na cadeia produtiva. Por
outro lado, a qualidade dos serviços não pode ser comprometida com uso dos agregados artificiais,
logo, torna-se essencial a comprovação técnica para o uso destes agregados.
A mais significativa reação termoquímica que ocorre na produção de agregados sintéticos não
expandidos é a expulsão da água a partir dos minerais argilosos. Esta expulsão de água,
normalmente designado desidratação completa, parece ser uma reação irreversível (pelo menos sob
quaisquer condições de ambiente que são possíveis para a utilização destes agregados na construção
de estrada). Devido à importância aparente desta reação química na produção de agregados
sintéticos, um ensaio foi concebido para indicar a quantidade de completa desidratação que ocorreu
durante o processo de queima, basicamente este é um dos ensaios que avalia a resistência dos
agregados sintéticos à degradação. Chama-se o teste de perda de massa por fervura, envolve
cozinhar os agregados sob a água em uma panela de pressão típica de cozinha e, em seguida,
agitação intensa em água. A agitação na água dispersa-se os materiais e também produz alguma
perda de abrasão semelhantes à abrasão que ocorre no ensaio de abrasão Los Angeles (Ledbetter et
al, 1971).
Com objetivo principal de desenvolver um critério de aceitação recomendado para os agregados
sintéticos para uso em todas as fases de construção de rodovias, o Texas Transportation Institute,
durante a década de 60, criou várias normas, inclusive para avaliar a degradação do agregado
sintético. Uma destas normas para avaliar a degradação do agregado sintético é o ensaio de perda de
massa após fervura, que foi adaptado pelo extinto DNER, hoje DNIT, e introduzido nas normas
brasileiras.
ARGILA CALCINADA
Os estudos sobre argila calcinada no Brasil tiveram início no começo dos anos 80, através do
extinto DNER, hoje DNIT. Uma Visita técnica realizada por um engenheiro da equipe do DNER
aos Estados Unidos, mais precisamente nos estados do Texas e Louisiana, foi uma etapa importante
deste estudo, pois nos anos de 1963 e 1964 foram realizados nestes estados vários trechos
experimentais de pavimentos flexíveis com o emprego na base de uma mistura de 70% de agregado
calcinado e 30% de areia siltosa, sendo constatado que durante o monitoramento destes trechos até
o ano de 1968, apresentaram um bom desempenho. Esta visita gerou algumas conclusões que
auxiliaram na elaboração de algumas normas no Brasil, adaptadas do Texas Highway Department.
(Batista, 2004)
Os primeiros trabalhos foram desenvolvidos em disciplinas de Iniciação à Pesquisa no IME,
utilizando amostras de solos de Urucu (AM). Nesse primeiro trabalho buscava-se extrair resultados
capazes de atender os anteprojetos de normas e instruções de ensaios trazidos pelo IPR/DNER,
baseados na experiência dos EUA sobre o assunto, conforme Tabela 1. (Cabral, 2011)
Tabela 1 - Ensaios do Texas Highway Department e adotados pelo DNER (1981).
Método
Título do Ensaio
DNER-ME 222/94 Agregado sintético fabricado com argila - desgaste por abrasão
Argilas para fabricação de agregado sintético de argila calcinada DNER-ME 223/94
seleção expedita pelo processo de fervura
Agregado sintético de argila calcinada - determinação da perda de
DNER-ME 225/94
massa após fervura
Cabral (2005) utilizou em sua metodologia o diagrama de Winkler para avaliar a potencialidade da
argila para fabricação do agregado sintético de argila calcinada. O uso do diagrama de Winkler para
orientação no estudo da composição granulométrica de massas cerâmicas foi proposto por Pracidelli
e Melchiades (1997), com a justificativa de que uma massa cerâmica não pode ser constituída
somente de argilas plásticas, porque pode apresentar grandes dificuldades na produção dos artefatos
cerâmicos, tanto na conformação das peças, como na secagem e queima. A Tabela 2 apresenta a
composição granulométrica para cada tipo de artefato cerâmico.
Tabela 2 - Composição granulométrica dos produtos da cerâmica vermelha
Fonte: Pracidelli e Melchiades (1997)
No diagrama de Winkler (Figura 1), a granulometria do material deve se enquadrar nas regiões “A”,
“B”, “C” ou “D”, sendo a região mais indicada a “B”, pois a região “A” apesar de gerar um
agregado de melhor qualidade, o controle tecnológico deverá ser mais rigoroso, principalmente em
relação a temperatura. Já as regiões “C” e “D”, apesar de conseguir produzir um agregado de argila
calcinada de qualidade satisfatória, deverão ser necessárias temperaturas mais elevadas.
Figura 1 - Diagrama granulométrico de Winkler
Fonte: Pracidelli e Melchiades (1997).
MATERIAIS E MÉTODOS
O agregado sintético calcinado foi fabricado utilizando dois tipos de misturas, uma mistura de
argila-resíduo e outra somente com argila. Foi realizada a caracterização física e química do
resíduo, utilizando ensaios de granulometria, densidade real, limite de liquidez, limites de
plasticidade e EDS (energy dispersive Spectrometry). Os resultados da caracterização física estão
apresentados na Tabela 3, resultado do ensaio de EDS está demonstrado na Figura 2. A
granulometria do resíduo apresentou um percentual de 95% passante na peneira nº 200. Através do
ensaio de EDS, observamos a presença de ferro no resíduo.
Tabela 3: Resultados da caracterização física
Ensaio
Resultado
Limite de liquidez (%)
20
Limite de Plasticidade (%)
14
Índice de Plasticidade (%)
6
Densidade Real
3,93
Figura 2: Resultado EDS do Resíduo.
A argila foi fornecida pela Cerâmica Marajó, localizada na região de Tanguá-RJ, e apresentou um
limite de liquidez de 39%, limite de plasticidade de 22%, Índice de Plasticidade de 17% e densidade
real de 2,60. A argila é de cor clara e do grupo da Caulinita. A representação da granulometria da
argila no diagrama de Winkler, apresentada na Figura 3, mostrou que a argila tem um potencial
cerâmico adequado, conforme Pracidelli et al. (1997).
Figura 3: Granulometria da argila representada no Diagrama de Winkler
O percentual utilizado na mistura foi de 15% em peso de resíduo e 85% em peso de argila. Esta
mistura apresentou limite de liquidez de 32,6%, limite de plasticidade de 20,5%, Índice de
Plasticidade de 12,1% e densidade real de 2,80. A representação da granulometria da mistura no
diagrama de Winkler está apresentada na Figura 4.
Figura 4 - Granulometria da mistura representada no Diagrama de Winkler
A extrusão ocorreu em uma maromba elétrica, com seção hexagonal de 1cm de lado e umidade para
extrusão, tanto da argila pura como da mistura, foi de 22%, próximo ao limite de plasticidade. Após
a extrusão, a barra foi cortada em agregados que variaram de 5 mm a 15 mm de comprimentos. Foi
criado dois grupos de amostras, as amostras do Grupo M, referente á mistura, e as amostras do
grupo A, somente da argila pura, conforme Figura 5. O passo seguinte foi a secagem dos agregados
ao ar livre por sete dias em bandejas metálicas.
A calcinação foi realizada em forno tipo mufla com quatro patamares de temperatura, 800ºC,
900ºC, 1000ºC e 1100ºC, com taxa de aquecimento de 30ºC/min, tempo de patamar de 30 minutos e
desligamento do forno para resfriamento.
Figura 5: Amostras do Grupo A e Grupo M
O ensaio de perda de massa por fervura foi realizado colocando os frascos com as amostras e
200cm³ de água destilada dentro de panela de pressão convencional, preenchida com
aproximadamente 2cm de água destilada, conforme Figura 6(a). Após 15 minutos de fervura ,
Figura 6(b), os frascos são retirados da panela e resfriados à temperatura ambiente.
(a)
(b)
Figura 6: Realização do ensaio de perda de massa após fervura
O ensaio prossegue realizando a agitação mecânica por 30 minutos, conforme Figura 7. Em seguida
a amostra é lavada em peneira de 0,42mm de abertura, com cuidado para não perder material, e o
passante é seco em estufa.
Figura 7: Agitador mecânico
RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura 8 apresenta a comparação do ensaio de perda por fervura os grupos A e M, mostrando que
a partir da temperatura de 1050ºC, aproximadamente, a perda de massa após fervura do Grupo M é
menor que a do Grupo A. A Figura 9 mostra a aparência dos agregados antes e depois do ensaio,
comprovando o desgaste provocado pelo contato dos agregados no agitador segundo LEDBETTER
et al.(1971) , dando aspecto mais arredondado nas arestas dos agregados.
Figura 8 - Resultados ensaio de perda de massa após fervura nas amostras A e M
Figura 9: Agregados antes e depois do ensaio
A Tabela 4 apresenta os resultados do ensaio de perda de massa após fervura, comparando com a
norma DNER-EM 230/94 – Agregados sintéticos graúdos de argila calcinada, e mostra que todos os
resultados se enquadraram nos limites expressos em norma. Nota-se que a o resultado do Grupo M
para temperatura igual à 1100ºC é muito inferior comparando com o Grupo A.
Tabela 4: Resultados do ensaio realizados nos agregados calcinados
Grupo Amostra
A
M
A800
A900
A1000
A1100
M800
M900
M1000
M1100
Ensaio perda de
massa após
Fervura
Resul.
3,21%
2,52%
2,38%
1,11%
6,16%
2,90%
2,61%
0,82%
Norma
<10%
<10%
<10%
<10%
<10%
<10%
<10%
<10%
Tanto do grupo A como do Grupo M, podemos observar um patamar de desgaste entre as
temperaturas de 900ºC e 1000ºC. Fazendo uma comparação com os resultados de Cabral (2005) e
de Moore (1969), para argila clara, podemos observar algumas particularidades em comum,
conforme Figura 10. Infelizmente Cabral (2005) realizou ensaios somente em agregados com
temperaturas até 1000ºC, impossibilitando a comparação após esta temperatura. Além do patamar
mencionado, a mesma inclinação da curva antes de 900ºC é observada após 1000ºC em todas as
amostras, exceto as de Cabral (2005) que não prosseguiu para temperaturas acima de 1000ºC. A
curva para o ensaio de perda de massa após fervura em agregados sintéticos calcinados com argila
clara tem uma grande tendência de comportamento similar às curvas encontradas nesta pesquisa.
Figura 10: Comparação dos resultados para o ensaio de perda de massa após fervura de agregados sintéticos
CONCLUSÕES
Este artigo avaliou a degradação dos agregados graúdos sintéticos calcinados fabricados à partir de
uma mistura resíduo-argila para utilização em camadas de pavimentos. Dos resultados pode-se
concluir que:
• Os resultados dos testes indicam que estes agregados têm um grande potencial para a
utilização em construção de rodovias em muitas áreas do mundo, não onde há abundancia de
agregados naturais pétreos, mas em locais onde as argilas necessárias para a produção de agregados
sintéticos são abundantes.
• A adição do resíduo de mineração à argila, à temperatura de 1100ºC, mostrou a
potencialidade que este resíduo pode causar em argilas que não estão aptas para a fabricação de
agregados graúdos sintéticos.
• A tendência de curva observada no ensaio de perda de massa após fervura para agregados
sintéticos calcinados, fabricados a partir de argila clara, pode auxiliar na definição da temperatura
de queima de futuros trabalhos. A perda de massa, no patamar entre temperaturas de 900ºC e
1000ºC, pode ser um ponto de partida para avaliar a temperatura de queima a ser adotada, pois pela
curva apresentada, se a perda de massa nesse patamar for superior ao indicado em norma, < 10%, a
fabricação do agregado necessitaria de uma grande demanda de energia, o que pode tornar inviável.
REFERÊNCIAS
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solos finos da BR-163/PA. 2004. 159 p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Transportes) – Instituto Militar
de Engenharia.
CABRAL, G. L. L., 2005, Metodologia de produção e emprego de agregados de argila calcinada para pavimentação.
358 p. Dissertação de Mestrado, Instituto Militar de Engenharia, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
CABRAL, G. L. L., 2011, Utilização do agregado artificial de argila calcinada em Obras de pavimentação e
aperfeiçoamento da tecnologia. 216 p. Tese de Doutorado, COOPE, UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
DNER - Departamento Nacional de Estradas e Rodagem, 1994, ME 122/94, “Determinação do Limite de Liquidez”,
Rio de Janeiro, RJ.
DNER - Departamento Nacional de Estradas e Rodagem, 1994, ME 082/94, “Determinação do Limite de Plasticidade”,
Rio de Janeiro, RJ.
DNER - Departamento Nacional de Estradas e Rodagem, 1994, ME 230/94, “Agregado Sintético Graúdo de Argila
Calcinada”, Rio de Janeiro, RJ.
DNER - Departamento Nacional de Estradas e Rodagem, 1994, ME 223/94, “Argila para fabricação de agregado
sintético de argila calcinada – seleção expedita pelo método de fervura”, Rio de Janeiro, RJ.
DNER - Departamento Nacional de Estradas e Rodagem, 1994, ME 225/94, “Determinação de perda de massa após
fervura”, Rio de Janeiro, RJ.
LEDBETTER, W. B, MOORE, W. M, GALLAWAY, B. M. A synthetic coarse aggregate classification system-final
report. Texas Highway Department – THD. Research Report No 81-15. Synthetic Aggregate Research. Study 2-865-81. Colei Station: Texas Transportation Institute, 1971.
MOORE, W. M., Fired-clay aggregates for use in flexible bases. Texas Highway Department – THD. Research Report
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PRACIDELLI, Sebastião, MELCHIADES, Fábio G. Importância da composição
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cerâmica vermelha. Cerâmica Industrial, v.2, n. 12, p. 31-35, Janeiro/Abril 1997.
RIBEIRO, R. C; CORREIA, J. C. G.; SEIDI, P. R.(2007), “Avaliação da utilização de argila calcinada em
pavimentação asfáltica”, Série Tecnologia Mineral STM-88.
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