Produção de Concreto Celular utilizando resíduo industrial
Douglas Luis Carissimo Robaldo (1), Carlos Alberto de Almeida Junior (1), Alencar Lill (1),
Manoel Victor Peres(1), (2), Alvaro Pereira, Daiane Folle (3) Rodrigo de Almeida Silva (3)
(1) Aluno da Escola de Engenharia Civil, IMED, Brasil. E-mail: [email protected]
(2) Aluno da Escola de Engenharia Civil, IMED, Brasil. E-mail: [email protected]
(3) Rodrigo de Almeida Silva – Professor da Escola de Engenharia - IMED. E-mail:
[email protected]
(3) Alvaro Pereira – Professor da Escola de Engenharia - E-mail: [email protected]
(3) Daiane Folle – Coordenadora Acadêmica Faculdade IMED. e-mail:
[email protected]
Resumo: Atualmente, a indústria da construção civil no Brasil é um dos setores que mais tem se
desenvolvido. Isso se deve ao bom momento econômico que o país esta vivendo, revertendo a estagnação
ocorrida nos anos 90 com relação à habitação, infraestrutura e o nível de industrialização do país. Com
relação à construção civil, vários materiais com novas propriedades, de alta tecnologia e desempenho
estão sendo incorporados aos sistemas produtivos, trazendo benefícios econômicos, ambientais e
tecnológicos aos processos produtivos. Um bom exemplo são os blocos de concreto leve, também
conhecido como concreto celular ou aerado, que segundo a ABNT NBR 13438:94 são blocos de concreto
expandido pela formação de bolhas de gases e estabilizados por pressão e temperatura em ambiente
saturado de vapor de água. Os blocos de concreto leve apresentam características construtivas muito
interessantes, tais como baixa massa específica e bom isolamento térmico e acústico, entretanto
apresentam também modificações importantes na resistência mecânica, módulo de deformação, retração
e fluência entre outras. Este trabalho tem por objetivo apresentar resultados preliminares com relação à
utilização de um resíduo da indústria de pedras preciosas em substituição da areia para a produção dos
blocos de concreto celular aerado com agente espumígeno (BCCA). Os resultados preliminares de
densidade e resistência mecânica a compressão demonstraram coerência com a literatura. Cabe
salientar a que os efeitos da absorção de água foram grandemente afetados pelo resíduo, entretanto este
estudo ainda não foi efetuado satisfatoriamente.
Palavras-chave: Concreto aerado; Concreto leve; Concreto espumoso.
Abstract: Actuality, the construction industry in Brazil is a major sector that has developed. This is due
the good times that the country is living, reversing the stagnation occurred in the 90s with respect to
constructions, infrastructure and the level of industrialization of the country. With respect to construction,
various materials with new properties, high technology and performance are being incorporated into
production systems, with low cost economic and preservation of the environmental improvement. A good
example are the blocks of lightweight concrete, also known as cellular concrete or aerated (AAC) which
according to ABNT NBR 13438:94 concrete blocks are expanded by the formation of gas bubbles and
stabilized in the high temperature and pressure saturated with water vapor. The lightweight concrete
blocks have very interesting design characteristics, such as low density and good thermal and acoustic
insulation, but also show important changes in mechanical strength, modulus of elasticity, shrinkage and
creep among others. This paper aims to carry out a literature review on the main production processes and
suitable applications of Aerated Concrete Blocks (ACB) in order to start the development of academic
research on the said topic.
Keywords: aerated concrete, lightweight concrete, foamed concrete.
2
1. INTRODUÇÃO
Segundo Helene e Andrade (2009), o concreto Portland deve conter cimento, água e agregados,
onde o cimento e a água formam uma pasta mais ou menos fluída, em função do percentual de
água que envolve as partículas de agregados com diversas dimensões. Esta mistura, nas
primeiras horas apresenta a capacidade de ser moldada em qualquer formato. Com o passar do
tempo, a mistura endurece pela reação irreversível da água com o cimento, adquirindo
resistência mecânica capaz de torná-lo um material estrutural de desempenho excelente, sob os
mais diversos ambientes de exposição.
Dentro da classe dos concretos, os concretos leves tem ganhado espaço devido a suas
características físicas e químicas. Os registros mais antigos sobre o concreto leve relatam uma
patente de 1889 por um habitante de Praga. Segundo Bessey (1968) o concreto com agregado
leve foi utilizado pelos romanos, há 2.000 anos, para a construção do domo “Pantheon”. Supõese que, além da baixa massa específica, os romanos acreditavam na durabilidade deste material
(Ferreira, 1955).
Neste contexto, a presente introdução tem por finalidade abordar de forma genérica o tema de
produção concreto celular, que segundo Allende et al (2005) é produto formado basicamente por
bolhas de ar ou gás em matriz sólida, geralmente cimentícia, podendo ser incorporado à matriz
por processos químicos ou mecânicos. Apesar de suas excelentes vantagens no uso como
isolante térmico de baixo peso específico, ainda vem sendo pouco utilizado na indústria de prémoldados da construção civil, seja como bloco de alvenaria ou placas de divisórias.
Segundo Motta (2001) os pesquisadores de materiais da construção civil do início do século XX
tinham por missão elaborar um concreto com boa isolação térmica, estrutura sólida e facilidade
de manuseio, similar a madeira, mas sem as desvantagens da combustibilidade.
Até a segunda guerra mundial, a exploração comercial do concreto aerado ocorria quase que
totalmente nos países escandinavos (Suécia e Dinamarca). As razões principais eram as fissuras
apresentadas pelas paredes da alvenaria executadas com este material, quando o mesmo era
curado à temperatura ambiente ou com temperatura abaixo de 100°C. Somente após o
desenvolvimento de métodos de produção em massa, amplamente mecanizados e sofisticados, o
concreto aerado curado em autoclave tornou-se um material competitivo, frente a outros
materiais tradicionais (Motta, 2001).
No Brasil, os BCCA vêm sendo utilizados na execução de paredes de alvenaria, a partir de
tecnologia construtiva insuficiente para o adequado desempenho das paredes, ocasionando assim
diversos problemas patológicos que tenderam a prejudicar o desempenho comercial deste
produto no mercado nacional. O principal problema é que este material, cuja tecnologia de
produção foi importada dos países de origem, está sendo vendido e aplicado sem a adaptação à
cultura construtiva encontrada no Brasil (Mota, 2001).
Segundo a NBR 13438:1995, o concreto celular autoclavado é definido como uma mistura
expandida obtida através da utilização de produtos formadores de gases, água e aditivos, se
forem o caso, sendo submetidos à pressão e temperatura através de vapor saturado. Esta mesma
norma especifica as características dimensionais, bem como sua densidade e resistência a
compressão. Conforme indicam as Tabelas 1 e Tabelas 2.
O controle de qualidade dos blocos de BCCA abrange o acompanhamento das propriedades e
características físicas de: dimensão, resistência à compressão e densidade de massa seca.
3
Tabela 1: Dimensões normais e modulações dos blocos
Espessura (mm)
Altura (mm)
Comprimento (mm)
Mínima de 75 modulando de
25 em 25
Mínima de 200, modulando
de 25 em 25
Mínimo de 200, modulando
de 25 em 25
Fonte: Adaptada de ABNT NBR 13438:1995
Estas medidas são coletadas com uma escala metálica com resolução de 1 mm apoiadas por duas
réguas metálicas paralelas, contemplando parâmetros de espessura, altura e comprimento, sendo
permitido uma variação das dimensões de +/- 3 mm.
A Tabela 2 apresenta os limites de resistência à compressão em função da densidade aparente
seca. Esta relação é devido a proporcionalidade inversa entre a quantidade de poros e a
resistência do material. Ou seja, quanto mais porosa, menos densa e menos resistência irá
apresentar.
Tabela 2: Classes, resistência à compressão e densidade de massa aparente seca.
Resistência à compressão seca
Densidade Aparente seca
Classes
Valor médio mínimo
Menor valor isolado
≤ 450 Kg.m-3
(MPa)
(MPa)
C12
1,2
1,0
≤ 450
C15
1,5
1,2
≤ 500
C25
2,5
2,0
≤ 550
C45
4,5
3,6
≤ 650
Os concretos celulares podem ser divididos em dois grandes grupos, os aerados com agente
espumígeno (espuma pré-formada) e os aerados quimicamente (também chamados de gasosos),
onde as diferenças encontram-se na forma dos poros e sua origem. (Melo, 2009). A Figura 1
apresenta um fluxograma distribuindo o Concreto Celular de acordo com sua obtenção.
Figura 1: Classificação do concreto celular (fonte: Mello,2009)
Segundo Goual et al, 2006, o concreto celular apresenta vantagens e desvantagens na aplicação.
Sua estrutura de poros fechados garante excelente grau de isolamento térmico e acústico, além
de boa resistência à absorção de água. Outra grande vantagem é sua resistência ao fogo,
conferida por sua composição completamente inorgânica. Entretanto, todas essas propriedades
são obtidas em detrimento da resistência mecânica do material, a qual diminui com o aumento da
porosidade do mesmo.
4
Como exposto por Venquiaruto (2014), o aproveitamento de resíduos industriais como carga,
substituição ao cimento ou dos agregados na produção de concretos tem se mostrado, ao longo
dos anos, muito benéfico. O uso desses rejeitos pode melhorar as propriedades do concreto, além
de possibilitar um destino sustentável a resíduos que, de outro modo seriam descartados no meio
ambiente ou em aterros industriais.
Neste trabalho foi estudada a possibilidade de substituição total da areia de origem natural. O
processo de geração do resíduo é um sistema similar a um moinho de bolas, onde o corpo
moedor e substrato a ser moído são constituídos pelos pedaços dos geodos de ágatas. O produto
é conhecido como “Pedra Rolada”, como resíduo é gerado um pó com baixa granulometria com
características especiais, tais como: grande área superficial, alto teor de sílica e alta capacidade
de absorção de água. A capacidade atual da empresa que forneceu o resíduo gira em torno de 60
ton/mês de pedra ornamental bruta, com uma recuperação em torno de 15% de produto
comercializável.
2. Materiais e Métodos
Os materiais e o método utilizado foram definidos a partir de um estudo prévio no método de
produção em escala industrial de uma empresa parceira na pesquisa, que produz e comercializa
blocos de concreto celular na Região de Passo Fundo - RS. O processo de produção foi reduzido
para adaptar a escala de bancada, com o objetivo de reduzir o número de variáveis de resposta,
buscando avaliar a possibilidade da substituição total da areia natural pelo resíduo de sílica.
2.1 Materiais
a) Cimento:
Como aglomerante hidráulico foi utilizado o cimento Portland CPV ARI-RS, que tem
alto conteúdo de Alita (Ca3SiO5) e Alumínio Tricálcico C3A, além de apresentar uma moagem
mais fina, conferindo elevada resistência em um menor de tempo pega. Segundo o relatório de
ensaio da fabricante (Itambé, 2013), este material possui massa específica média de 3,00 g.cm-3,
superfície específica Blaine média 4.723, finura média da peneira de malha # 200(mesh) igual a
0,63% e a finura média da peneira de malha # 300(mesh) igual a 2,09%.
a) Sílica:
O resíduo utilizado para substituição da areia natural de granulometria média, com grãos
de diâmetros compreendidos entre 0,20 mm e 0,60 mm, (ABNT NBR 6502/95) por resíduo de
sílica com granulometria inferior a 0,074 mm (200 mesh). Este resíduo apresenta massa
específica ao redor de 2,5g.cm-3, é composto por 98 % de SiO2, na fase cristobalita, com área
superficial de 60 m2.g-1, medido pelo método do azul de etileno. Estes resultados podem ser
vistos no Quadro 1 (Marisco et al, 2009).
5
d=4,04551
Quadro 1: Resumo da composição do resíduo de industrial (Fonte: Marisco et al, 2009)
1000
Amostra 1
a) Coleta da amostra
b) Composição Química
d=4,04671
Cristobalita
d=1,43303
d=1,36837
d=1,35290
d=1,40125
d=1,61244
d=1,49564
d=1,53616
d=1,69414
d=1,93231
d=1,87303
d=2,02232
d=1,81640
d=2,11958
d=2,27912
d=2,23596
d=2,84738
Anatásio
d=3,13869
d=2,97382
d=4,31051
d=3,82242
d=4,25591
Tridimita
d=2,48659
d=3,34148
Quartzo
500
d=3,51654
Resultado
98,94%
0,64%
0,19%
0,08%
0,06%
0,04%
0,04%
Lin (Counts)
Composição
SiO2
FeO2
Al2O3
CaO
SO3
K2O
TiO2
0
3
10
20
30
40
50
60
70
2-Theta - Scale
Rodrigo - File: Amostra 1.RAW - Type: 2Th/Th locked - Start: 2.000 ° - End: 72.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 2 s - 2-Theta: 2.000 ° - Theta: 1.000 ° - Phi: 0.
Operations: X Offset 0.033 | Import
01-082-1403 (C) - Cristobalite alpha, syn - SiO2 - Y: 99.92 % - d x by: 1. - WL: 1.5409 - 0 - I/Ic PDF 5. - S-Q 71.4 % 00-033-1161 (D) - Quartz, syn - SiO2 - Y: 18.47 % - d x by: 1. - WL: 1.5409 - 0 - I/Ic PDF 3.6 - S-Q 18.4 % 01-071-1168 (C) - Anatase - TiO2 - Y: 1.63 % - d x by: 1. - WL: 1.5409 - 0 - I/Ic PDF 4.9 - S-Q 1.2 % 01-071-0197 (C) - Tridymite low, syn - SiO2 - Y: 3.99 % - d x by: 1. - WL: 1.5409 - 0 - I/Ic PDF 1.6 - S-Q 8.9 % -
a) Composição das fases
mineralógicas
b) Água:
A água nos ensaios foi de abastecimento, com qualidade potável de origem
subterrânea, captada por em poço artesiano, apresentando como características
principais o pH com valor de 7,5 e condutividade de 2000 µs/cm2.
c) Agente Espumígeno:
O agente gerador de espuma utilizado, para a incorporação de ar, foi uma mistura já
estabelecida nas proporções que a indústria utiliza. O agente espumígeno é
composto por uma mistura de detergente, resina vegetal, um aditivo plastificante e
um estabilizador de bolhas. As proporções e os produtos não foram identificados
pela empresa.
2.2 Método
Os ensaios de obtenção dos blocos de concreto celular foram conduzidos no Laboratório de
Materiais da Faculdade Meridional. Como avaliação preliminar, definiu-se que a geração da
espuma seria efetuada por agitação mecânica em alta rotação para incorporação de ar. Ficou
estabelecido que a incorporação de ar fosse efetuada até que todo o líquido fosse convertido em
espuma e que a relação entre o concentrado gerador de espuma e a água de diluição seria de
1:30.
Outro aspecto importante foi o estabelecimento da quantidade mínima de água para formação da
pasta. A relação água/cimento inicial para a formação da pasta foi estabelecida em 0,86 variando
esta relação ao limite de 1,7. Esta alta relação de água/cimento (a/c) concordo com o que está
descrito em Venquiaruto (2014), onde relata que o acréscimo de 10 e 20% de rejeito, mantida a
relação de água original, reduz a resistência á compressão aos 28 dias. Quando a relação de água
é aumentada, a resistência á compressão em 28 dias apresenta uma tendência de aumento
considerável.
O procedimento de obtenção dos blocos de concreto celular seguiu a seguinte metodologia.
Foram fixados os valores de 72g de cimento e 72 g de rejeito, os dois sólidos foram
homogeneizados manualmente. Após foi adicionada água para a produção da pasta inicial.
Paralelamente a espuma foi produzida por agitação mecânica. O volume de mistura para a
geração de espuma foi de 30 mL utilizando a relação de 1:30 de concentrado espumígeno/
volume de água. O processo mecânico de geração de espuma foi estabelecido de forma que todo
6
o líquido estivesse com ar incorporado apresentado bolas pequenas, apresentando uma
resistência física de não escoamento quando vertida verticalmente.
Dessa forma, procedeu-se a mistura da espuma e da pasta cimentícea, sob agitação vigorosa
mecânica por 1 minuto, produzindo uma boa homogeneização, levando a uma perda de volume
considerável da espuma. Os blocos foram moldados em formas cônicas em um total de 7
amostras. Por ser um estudo inicial, não foram projetados repetições, nem variações no
procedimento de cura, que foi efetuado em condições normais de ambiente, durante 7 dias.
A única condição de variação na confecção dos corpos de prova foi à quantidade de água
adicionada na preparação da pasta inicial de cimento, que iniciou em 32 mL, com um aumento
linear de 10 mL a cada corpo de prova, até o volume de 92 mL. Esta variação teve como objetivo
estabelecer uma relação entre água adicionada para a pasta e densidade do bloco em 7 dias. Com
a adição das quantidades de água a relação água/cimento mudou consideravelmente.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
Para a verificação da influencia da quantidade de água na variável resposta (resistência a
compressão), as amostras forma rompidas em uma prensa hidráulica de acionamento elétrico,
modelo PC200C marca EMIC, com capacidade máxima 200 toneladas (2MN) com unidade
hidráulica de comando manual de velocidade.
A resolução de leitura é de 0,1 kN (10kgf, com a precisão garantida de ±1% de carga lida, com
Classe de Medição de Força: Classe 1, segundo a Norma NM ISO7500-1). Para o processo de
ruptura dos blocos, os mesmos foram colocados individualmente na prensa, tendo o cuidado de
ajustar a altura do cursor, através do módulo eletrônico foi ajustado o tipo de ensaio (ensaio em
corpo cilíndrico), e a velocidade de ensaio (0,4MPa/s). A Tabela 3 apresenta a matriz
experimental, bem como a variável resposta (variável dependente), bem como o volume água
adicionado, relação água/cimento (variáveis independentes)
Amostras
Massa de
cimento (g)
Massa de
resíduo (g)
Água Total
Adicionada
(mL)
Relação
água/ciment
o (peso)
Densidade
(g/cm³)
Resistência á
compressão
(MPa)
I
II
III
IV
V
VI
VII
72
72
72
72
72
72
72
72
72
72
72
72
72
72
62
72
82
92
102
112
122
0,86
1,00
1,14
1,28
1,42
1,56
1,69
1,16
1,11
0,94
0,66
0,88
0,75
0,65
4,17
6,06
1,2
0,8
2,5
0,93
0,76
Para uma melhor compreensão dos dados demonstrados na Tabela 3, foram plotados três
gráficos avaliando como ocorre o comportamento da resistência a compressão com relação á
água adicionada, relação água/cimento e densidade.
7
A Figura 2 apresenta a tendência da variação da resistência com o aumento da relação água
cimento. Este tendência segue o descrito na literatura clássica, pois com o aumento do teor de
água, com descrito por Tutikian e Helene (2011). A resistência á compressão é influenciado por
todos os vazios, neste caso, com aumento da relação água/cimento, ocorre o aumento dos poros
capilares. Cabe salientar que o concreto celular apresenta ar incorporado como gerador de
vazios.
Figura 2: Gráfico com o comportamento da resistência a compressão em relação a relação água /
cimento.
Resitência a compressão (MPa)
Variação da resistência em função da relação a/c
7
6
5
4
3
2
1
0
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
Relação água/cimento (peso)
A densidade aparente seca é uma medida que define a massa do bloco pelo seu volume após
curado. Esta relação tem proporcionalidade inversa entre a quantidade de poros e a resistência do
material. Ou seja, quanto mais porosa, menos densa e menos resistência irá apresentar. A Figura
3 demonstra a tendência dos resultados nas amostras ensaiadas, assim, verifica-se que quanto
maior a densidade, maior a resistência a compressão.
Figura 3: Gráfico com o comportamento da resistência a compressão em relação a densidade.
Resitência a compressão (MPa)
Variação da resistência em função a densidade
7
6
5
4
3
2
1
0
0
0,5
1
1,5
Densidade dos blocos (g.cm-3)
Um aspecto interessante na incorporação de ar pela adição de espuma a pasta é que o volume de
ar incorporado é diretamente afetada pela quantidade de água adicionada ao processo (Figura 4).
Os resultados demosntram qua o aumento da adição água causa um aumento no volume de
incorporação de ar incorporado. Acredita-se que a afinindade do rejeito pela água seja
8
responsável pela redução de volume da espuma, assim reduzindo a incorporação de ar produzida
pelo agente espumígeno. Assim, com o aumento do volume pela adição de uma maior
quantidade de água, ocorre uma redução da densidade aprente seca.
Figura 4: Gráfico com o comportamento da resistência a compressão em relação a densidade.
Volume de água adicionado mL
Incremento de volume da água adicionada
250,0
200,0
150,0
100,0
50,0
0,0
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
Densidade g.cm-3
CONCLUSÃO
A partir da observação das tendências do comportamento dos Blocos Concreto Celular
Autoclavado (BCCA), e de avaliação dos efeitos dos fatores controláveis sobre as variáveis
resposta, estudou-se a possibilidade de substituição total da areia de origem natural, pelo pó de
ágata, resíduo gerado através do polimento de pedras preciosas.
O concreto celular aerado apresenta vantagens e desvantagens na sua aplicação. Sua estrutura
com poros fechados garante um excelente grau de isolamento acústico e térmico, além da boa
resistência á absorção de água. Outra grande vantagem é sua resistência ao fogo, por ser uma
composição completamente inorgânica.
Constatou-se através dos experimentos iniciais, que quanto mais poroso o Bloco de Concreto
Celular Autoclavado (BCCA) for, menor será a sua resistência. Em amostras iniciais manteve-se
as mesmas quantias de massas de cimento, areia e sílica e o agente espumígeno, variando apenas
o volume de água para cada amostra produzida.
Os ensaios de resistência á compressão axial mostraram duas tendências, que o aumento de
água/cimento implicou na redução da sua resistência, como era esperado.
Com este estudo pode-se perceber o grande potencial da utilização do pó de ágata como um
agente de melhoramento de empacotamento em concretos convencionais, em substituição da
9
areia. Porém novos estudos devem ser realizados, apontando que o pó não interfere em outras
propriedades de concretos moldados, frente a sua durabilidade.
10
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11
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Produção de Concreto Celular utilizando resíduo industrial