Concretos com Agregados de Lama Vermelha para Reparo

Concretos com Agregados de Lama Vermelha para Reparo
de Elementos de Concreto sob Abrasão Hidráulica
Concretes with red mud aggregates for repair of concrete elements under hydraulic
abrasion
Carlos Rodrigo Costa Rossi (1); Michelle Azulay Ramos (1); Alcebíades Macedo Negrão (2);
Dênio Ramam Carvalho de Oliveira (2)
(1) Graduando em Engenharia Civil, Universidade Federal do Pará
(2) Professor Doutor, Departamento de Engenharia Civil, Universidade Federal do Pará
Rua Augusto Corrêa, Número 01
Guamá-Belém-Pará
66075-970
Resumo
As usinas hidrelétricas são as principais responsáveis pela geração de energia elétrica no Brasil. Um
problema grave e ainda sem solução que agride as barragens brasileiras é a abrasão hidráulica do
concreto. Poucas propostas tiveram êxito e poucas informações são encontradas na bibliografia nacional.
Este trabalho visa analisar o grau de deterioração de superfícies de concreto expostas à ação abrasiva
hidráulica, utilizando como camada reparadora concretos com agregados graúdos advindos do rejeito
industrial Lama Vermelha. Foram utilizados agregados produzidos com 80% de Lama Vermelha (LV) e 20%
de areia fina, além do seixo rolado como referência. A LV é o rejeito do processo de obtenção da alumina e
a utilização desses agregados visa diminuir o impacto ambiental causado na Região Norte do Brasil com
seu aproveitamento em larga escala. Na primeira fase da pesquisa foram determinadas as propriedades
físicas e mecânicas dos concretos e agora são apresentados os resultados finais, que mostraram-se
satisfatórios quando comparados a outros resultados encontrados na literatura. Tanto os nove corpos-deprova quanto os ensaios dos mesmos foram de acordo com norma ASTM C1138.
Palavra-Chave: Lama vermelha, Agregado graúdo, Abrasão hidráulica.
Abstract
The hydroelectric plants are the main source of electric power in Brazil. A serious problem and still without
solution remain over the Brazilian concrete dams, the hydraulic abrasion of concrete. Few proposals got
success and some little information can be found on the Brazilian bibliography. This work aims to analyze the
deterioration degree of concrete surfaces exposured to hydraulic abrasion using concrete with red mud
coarse aggregates as repair layer. Aggregates with 80% of red mud and 20% of fine sand were applied
beyond rolled pebble. Red mud is the reject of the Bayer process, to get alumina, and the large scale use of
these aggregates could reduce the environmental impact over the North Region of Brazil. At the first stage of
this research the physical and mechanics properties of the concretes were determined and now the final
results are shown and were considered satisfactory when compared to others from the literature. The nine
proofs and the tests were carried out under the light of ASTM C1138.
Keywords: Red mud, coarse aggregate, hydraulic abrasion.
ANAIS DO 50º CONGRESSO BRASILEIRO DO CONCRETO - CBC2008 – 50CBC0353
1
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Introdução e Objetivo
Uma das patologias mais problemáticas em estruturas de concreto de usinas hidrelétricas
(UHE’s) é a erosão, sendo por abrasão ou cavitação. Por serem estruturas especiais, os
problemas podem ser bastante prejudiciais para as comunidades que dependem dos
benefícios gerados por uma UHE. Qualquer tipo de paralisação nessas usinas, por
exemplo, acarretará expressivos problemas sócio-econômicos. Para obras de grande
porte com uma UHE deve programar rigorosas e periódicas inspeções das estruturas.
Tais cuidados implicam em um custo relativamente alto.
A erosão por abrasão hidráulica resulta do efeito abrasivo de materiais sólidos
transportados pelo fluido em movimento. Essas partículas podem ser de silte, areia,
rochas e fragmentos da própria superfície entre outros. O dano por abrasão é verificado
pela inspeção da superfície, a qual se apresenta lisa e plana, com aspectos desgastados;
Condutos de evacuação, vertedouros e revestimento de túneis são locais onde a
ocorrência de abrasão é comum (ACI 210, 1987). O dano provocado pela abrasão
depende das condições de fluxo e das partículas que ele transporta. Sob ação exclusiva
da água, mesmo em altas velocidades, o concreto pode passar anos sem qualquer
problema, porém, com o atrito e impactos causados pelos sólidos presentes no fluido, a
vida útil desse concreto é reduzida (ACI 210, 1987).
Neste trabalho foi empregada uma inovação tecnológica, ou seja, um produto a partir de
uma mistura (LVAF) de Lama Vermelha (LV) e areia fina para gerar um agregado
cerâmico de resistência mecânica e densidade média aparente constante ou variada, para
aplicação em concretos convencionais visando avaliar seus desempenhos mecânicos e à
erosão por abrasão hidráulica. Posteriormente os resultados foram comparados com os
obtidos para um concreto com agregado convencional com seixo rolado (SR), de
referência, ambos com o traço em massa de 1:1,5:3,0. A medição da erosão ocorreu
através de equipamentos que desgastam a superfície dos discos de concreto conforme
ASTM C 1138 (1997).
2
Método Experimental
2.1
Produção dos Agregados
A principal matéria-prima, utilizada para a confecção de agregados de LV, foi oriunda do
processo de fabricação de alumina da Alumina do Norte do Brasil S.A. – ALUNORTE.
Para confecção dos agregados, inicialmente, a LV foi britada por um moedor de bolas de
aço para ser misturada com a areia fina, a mistura foi de 80% de LV, acrescidos 20% de
areia fina e adicionados 2% da mistura de óleo queimado e aproximadamente 30% da
mistura de água para dar plasticidade e maleabilidade à mistura (LVAF), conforme a
figura 1.
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2
Figura 1 - Fluxograma da metodologia empregada (adaptado de VIEIRA e GOMES, 2006)
A forma dos agregados foi arredondada para ser similar a do seixo, tendo em vista a
menor contato em área com materiais sólidos transportados pelo fluido em movimento
durante o efeito abrasivo. Utilizaram-se formas metálicas cúbicas para a moldagem dos
agregados com intuito de aproximar o diâmetro médio do agregado, pois durante a
queima a 1200°C houve uma pequena retração dos agregados variando de 4,8% a 15%.
Logo, o diâmetro máximo foi de 19 mm e os agregados foram arredondados
manualmente, de acordo com a figura 2.
Figura 2 – Agregados antes da queima e após a queima a 1200°C
2.2
Execução dos Corpos-de-Prova
A previsão de resistência para o traço de 1:1,5:3,0 em massa na dosagem de concretos
foi de 40MPa. A relação água cimento (a/c) foi estabelecida em 0,41. A partir do cimento
CP II-Z-32, areia lavada utilizada na cidade de Belém e do material – amostra LVAF19 e
SR19 – foram obtidos 24 corpos-de-prova (CPs) de concreto para os seguintes ensaios:
Compressão axial simples, Tração, Módulo de elasticidade e Abrasão, como mostra a
figura 3. A estimativa do fck está de acordo com Mehta e Monteiro (2006) que comentam
sobre a pasta cimentícia não possuir alta resistência ao atrito e que a vida útil do concreto
pode ser reduzida devido a situações de desgaste repetitivo, principalmente se essa pasta
apresentar alta porosidade ou baixa resistência. Os autores citam que a resistência do
concreto deve ser de 28 MPa, no mínimo, para obter-se superfícies de concreto
resistentes à abrasão, baseados no Comitê 201 do Instituto Americano do Concreto (ACI
201). Entretanto, para severas erosões, os autores recomendam o uso de concretos com
fck igual a 41 MPa e cura úmida durante 7 dias, no mínimo.
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3
Figura 3 – Moldagem dos discos para abrasão
2.3
Ensaios Mecânicos
Para estabelecer a influência dos agregados (produzidos com LV acrescidos da segunda
matéria-prima) no comportamento mecânico do concreto, foram programados ensaios
para determinação das resistências à compressão axial simples, à tração e ao módulo de
elasticidade do concreto para as amostras LVAF19 e SR19 foram obtidas quando os CPs
alcançaram as idades de 28 dias, sendo realizada segundo as orientações da norma NBR
5739 (ABNT, 1994), NBR 7222 (ABNT, 1994) e NBR 8522 (ABNT, 1984). Na tabela 1
tem-se um resumo dos CPs das duas amostras (LVAF e SR) utilizados para estes
ensaios.
Tabela 1 – Quantidade de CPs ensaiados
2.4
Dimensões dos
CPs (mm)
Compressão axial simples e
Módulo de Elasticidade
Tração
Abrasão
N° DE CP's
100 x 200
6
6
-
N° DE CP's
150 x 300
6
-
-
N° DE CP's
300 X 100
-
-
6
Metodologia do Ensaio de Abrasão
De acordo com ASTM C 1138 (1997), este método de teste pretende simular
qualitativamente o comportamento da água em movimento espiral contendo sólidos
suspensos e transportados os quais produzem a abrasão no concreto. Ainda, o teste
avalia relativamente a resistência do concreto à abrasão. Para o desgaste é necessário o
uso de “Cargas abrasivas”, que são 70 bolas de aço com diâmetro variando de 12,6 a
25,4 mm, com textura lisa e sem marcas de emenda de molde. O equipamento é
mostrado na figura 4.
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4
Figura 4 – Ensaio de abrasão hidráulica
Neste experimento obtém-se o volume (Vt) de cada corpo-de-prova em instantes
determinados. O corpo-de-prova permanece em ensaio por 72 horas, sendo efetuadas
medições do seu volume no intervalo de 12 horas, totalizando sete medições (incluindo a
medição a zero hora, caracterizando o volume inicial). As medições correspondem à
massa aparente (W w) e à massa do CP saturado no ar (W a), considerando a massa
específica da água (Gw) como 1 kg/l. Assim, o volume de cada CP é calculado para cada
instante de tempo, de acordo com a equação 1.
Vt
Wa WW
GW
(Equação 1)
O desgaste dos discos pode ser medido em relação ao volume de material perdido (VLt),
tomado como a diferença entre o volume inicial de cada CP (Vi) e o seu volume a um
dado instante (Vt), conforme a equação 2. O resultado dos ensaios é dado, então, pelo
volume de material perdido ou desgastado para cada intervalo de 12 horas. Nesta
ocasião, para comparação entre os materiais, foi usado o desgaste ao final do ensaio, isto
é, com 72 horas de abrasão da superfície dos corpos-de-prova. Outra maneira de
apresentar os resultados do ensaio, segundo a norma ASTM C1138/97, é obter a altura
média de desgaste (ADAt), considerando a área do topo do CP (A) sempre constante, de
acordo com a equação 3.
VLt
ADAt
Vi
(Equação 2)
VLt / A
(Equação 3)
Vt
3
Resultados
3.1
Análise do desempenho mecânico
3.1.1 Módulo de elasticidade
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O módulo de elasticidade dos concretos confeccionados com amostras de LV e SR foram
obtidos quando os CPs alcançaram as idades de 28 dias, sendo realizados segundo as
orientações da norma NBR 8522 (ABNT, 1984) e são apresentados posteriormente na
tabela 2. O módulo de elasticidade dos concretos dosados de LVAF é superior aos de
referência aproximadamente 89,0%.
Grupo
SR
Tabela 2 - Resultados dos ensaios para módulo de elasticidade
Módulo de
N° do CP
Área (mm²) Elasticidade
Grupo
N° do CP
Área (mm²)
(GPa)
SR19-01
22,9
LVAF19-01
7854,0
7854,0
SR19-02
20,7
LVAF19-02
SR19-03
22,5
LVAF19-03
SR19-07
19,6
LVAF19-07
17671,4
17671,4
SR19-08
19,4
LVAF19-08
LVAF
SR19-09
18,7
LVAF19-09
20,6
Média Aritmética
Média Aritmética
2,3
Desvio Padrão
Desvio Padrão
11,1%
Coeficiente de Variação
Coeficiente de Variação
Módulo de
Elasticidade
(GPa)
39,7
42,4
38,2
36,5
38,3
38,1
39,0
3,5
9,0%
3.1.2 Compressão axial simples
A tabela 3 apresenta os valores obtidos dos ensaios de resistência à compressão para
todas as amostras realizadas de acordo com a norma NBR 5739 (ABNT, 1994). Deste
modo, é possível corrigir os valores para obtenção da média aritmética. O concreto de
referência atingiu a resistência de dosagem prevista aos 28 dias, em torno de 26,0 MPa,
mas o concreto com agregados da amostra LVAF19 atingiu resistências em torno de 40,3
MPa, sendo em torno de 55,0% acima do SR19.
Grupo
SR
Tabela 3 – Resultado dos ensaios para a resistência à compressão axial simples
Carga
Carga
Área
Ruptura
Área
N° do CP
Última
Grupo
N° do CP
Última
(mm²)
(MPa)
(mm²)
(kN)
(kN)
SR19 - 01
214,3
27,3
LVAF19 - 01
320,1
7854,0
SR19 - 02
208,0
26,5
LVAF19 - 02 7854,0
333,3
SR19 - 03
205,7
26,2
LVAF19 - 03
302,7
SR19 - 07
426,0
24,1
LVAF19 - 07
699,8
17671,4
17671,4
SR19 - 08
469,5
26,6
714,4
LVAF LVAF19 - 08
SR19 - 09
452,8
25,6
LVAF19 - 09
706,8
26,0
Média Aritmética
Média Aritmética
1,8
Desvio Padrão
Desvio Padrão
6,9%
Coeficiente de Variação
Coeficiente de Variação
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Ruptura
(MPa)
40,8
42,4
38,5
39,6
40,4
40,0
40,3
2,1
5,2%
6
3.1.3 Tração por compressão diametral
A tabela 4 apresenta os valores obtidos dos ensaios de resistência à tração por
compressão diametral de acordo com a norma NBR 7222 (ABNT, 1994) para 3 CPs de
100 mm x 200 mm de cada amostra. Deste modo, é possível corrigir os valores para
obtenção da média aritmética. O concreto de referência atingiu valores em torno de 3,2
MPa e o concreto com agregados da amostra LVAF19 atingiu valores em torno de 3,3
MPa, sendo aproximadamente 3,0% acima do SR19. A figura 5 mostra os valores médios
das duas amostras encontrados nos ensaios de módulo de elasticidade, de resistência à
compressão axial simples e de resistência à tração por compressão diametral.
Módulo de
Elasticidade
LVAF19
40,3 MPa
26,0 MPa
20,6 GPa
39,0 GPa
SR19
ft
(MPa)
3,3
3,7
2,9
3,3
0,4
13,1%
Compressão axial
simples
Ensaios
3,3 MPa
SR
3,2 MPa
Grupo
Tabela 4 – Resultado dos ensaios para resistência à tração por compressão diametral
Área
Pu
ft
Área
Pu
N° do CP
Grupo
N° do CP
(mm²)
(kgf)
(MPa)
(mm²)
(kgf)
SR19-04
8.800,0
2,8
LVAF19-04
10.500,0
7854,0
SR19-05
12.000,0
3,8
LVAF19-05 7854,0 11.500,0
SR19-06
9.200,0
2,9
LVAF19-06
9.000,0
LVAF
3,2
Média Aritmética
Média Aritmética
0,6
Desvio Padrão
Desvio Padrão
20,1%
Coeficiente de Variação
Coeficiente de Variação
Tração por
compressão
diametral
Figura 5 - Valores experimentais médios para os três ensaios mecânicos
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3.2
Análise da abrasão hidráulica
A determinação da resistência à abrasão aos 28 dias é de extrema importância, pois a
esta idade considera-se que os concretos ou argamassas cimentícias apresentem as
suas resistências consideradas como finais, para efeitos de projeto. Assim, a resistência
nesta idade serviu como padrão para o desempenho desses materiais ao longo de suas
vidas úteis de acordo com PINHO (2006). Deste modo, foram realizados os ensaios de
abrasão de acordo com a norma ASTM C1138. Os resultados de 3 CPs para cada
amostra, obtidos através deste ensaio, são apresentados na tabela 5. A figura 6 mostra a
evolução do desgaste pela altura média de todos os CPs ensaiados.
Tabela 5 – Volume desgastado e altura média em relação ao tempo
Horas
MATERIAL
0
12
24
36
48
60
VLt (litros) 0,000 0,160 0,317 0,377 0,501 0,549
SR19 ABRASÃO-01
ADAt (mm) 0,000 2,264 4,485 5,333 7,088 7,767
VLt (litros) 0,000 0,135 0,204 0,300 0,458 0,372
SR19 ABRASÃO-02
ADAt (mm) 0,000 1,910 2,886 4,244 6,479 5,263
VLt (litros) 0,000 0,224 0,403 0,440 0,520 0,565
SR19 ABRASÃO-03
ADAt (mm) 0,000 3,169 5,701 6,225 7,356 7,993
VLt (litros) 0,000 0,067 0,168 0,232 0,301 0,376
LVAF19 ABRASÃO-01
ADAt (mm) 0,000 0,948 2,377 3,282 4,258 5,319
VLt (litros) 0,000 0,170 0,304 0,365 0,390 0,395
LVAF19 ABRASÃO-02
ADAt (mm) 0,000 2,405 4,301 5,164 5,517 5,588
VLt (litros) 0,000 0,073 0,197 0,266 0,338 0,385
LVAF19 ABRASÃO-03
ADAt (mm) 0,000 1,033 2,787 3,763 4,782 5,447
72
0,585
8,276
0,376
5,319
0,590
8,347
0,407
5,758
0,481
6,805
0,438
6,196
SR - ABRASÃO 01
SR - ABRASÃO 02
SR - ABRASÃO 03
LVAF - ABRASÃO 01
LVAF - ABRASÃO 02
LVAF - ABRASÃO 03
Altura média de desgaste (mm)
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0
12
24
36
48
60
72
Tempo (horas)
Figura 6 - Evolução do desgaste através da altura média das amostras a partir dE 28 dias
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Da figura 6 percebe-se que a os CPs de LVAF desgastam menos que os de SR,
explicável pela resistência mecânica, quanto maior a resistência, maior a resistência à
abrasão. O desgaste médio da amostra LVAF é 85,5% ao da amostra de referência e o
maior desgaste é entre os CPs LVAF19 – 01 e o SR19 – 03, tendo a amostra de LVAF
69,0% da de SR. A tabela 6 mostra os desgastes médios em volume desgastado e altura
média desgastada, e a figura 7 mostra a altura média desgastada dos CPs dosados com
SR e LVAF.
Tabela 6 – Desgaste médio das amostras em volume desgastado e altura média de desgaste.
HORAS
MATERIAL
0
12
24
36
48
60
72
VLt (litros)
SR19 - Média
0,000 0,173 0,308 0,372 0,493 0,495 0,517
ADAt (mm) 0,000 2,447 4,357 5,267 6,975 7,008 7,314
VLt (litros)
LVAF19 - Média
0,000 0,103 0,223 0,288 0,343 0,385 0,442
ADAt (mm) 0,000 1,462 3,155 4,070 4,852 5,451 6,253
SR - Médio
LVAF - Médio
Altura de desgaste (mm)
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0
12
24
36
48
60
72
Tempo (horas)
Figura 7 - Evolução do desgaste médio pelo tempo
A figura 8 mostra a superfície desgastada do CP durante a segunda medição (12h) e a
sétima medição (72h) do ensaio para as duas amostras. Percebe-se que os de LVAF
desgastaram menos e apresentaram um desgaste uniforme. Apenas os CPs de SR
começaram a desgastar o agregado no tempo de 12h. O desgaste do agregado de LV foi
verificado na terceira medição (24h). Após as sete medições conforme a norma ASTM
C1138, secou-se os CPs das duas amostras em uma estufa a 100,0°C durante 24h e
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pesou-os para verificar a massa desgastada seca, conforme a tabela 7. Verificou-se que o
desgaste em massa da amostra LVAF é 92,4% do valor do de referência e que o LVAF –
02 desgastou 67,9% em relação às SR – 03. Na figura 9, mostram-se os percentuais
médios de desgaste da massa.
Figura 8 – Aparência dos CPs na segunda e sétima medição, respectivamente
Tabela 7 – Resultado do desgaste em massa
Peso
Peso
N° do
Peso
após
Desgaste
N° do
Peso
após
Grupo
Grupo
CP
seco (kg) abrasão
(%)
CP
seco (kg) abrasão
(kg)
(kg)
16,241
14,857
14,543
SR - 01
8,5%
LVAF - 01 15,927
16,840
15,474
14,992
SR - 02
8,1%
LVAF - 02 16,194
16,523
14,718
14,233
SR - 03
10,9%
LVAF - 03 15,695
SR
LVAF
Média Aritmética
Média Aritmética
9,2%
Desvio Padrão
Desvio Padrão
1,7%
Coeficiente de Variação
Coeficiente de Variação
18,8%
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Desgaste
(%)
8,7%
7,4%
9,3%
8,5%
1,1%
12,5%
10
SR - Médio
Desgaste (%)
10,0%
9,2%
LVAF - Médio
8,5%
5,0%
0,0%
Amostras
Figura 9 – Desgaste absoluto médio da massa das amostras
4 Conclusão
Os concretos dosados com LVAF apresentaram elevadas resistências comparadas ao de
referência, sendo superior na resistência à tração em 3,5%, à compressão axial simples
em 55,0% e, principalmente, no módulo de elasticidade, 89,0%. O trabalho visou avaliar a
resistência do agregado LVAF para situações de abrasão, onde foram verificadas
elevadas resistências mecânicas e baixo desgaste. A forma arredonda do novo agregado
diminuiu o contato com materiais sólidos transportados pelo fluido em movimento.
Durante os ensaios dos discos com LVAF, na segunda medição (12h), houve um baixo
desgaste apenas na pasta cimentícea. Na terceira medição (24h) percebeu-se o início do
desgaste do agregado de LVAF, diferente do SR, onde o desgaste foi observado logo na
primeira medição. Os ensaios mostraram que os discos com LVAF apresentaram altura
desgastada média 14,5% inferior aos dos discos com SR. Finalmente, observou-se que a
aplicação desses agregados em concretos sujeitos a abrasão é viável. A maior dificuldade
encontrada no trabalho foi a produção dos agregados por ser ainda artesanal. A
alternativa apresentada para o emprego da lama vermelha na produção de concretos
resistentes à abrasão hidráulica mostrou-se tecnicamente viável.
5 Agradecimentos
Os autores agradecem à CAPES, CNPQ, ALUNORTE e FAPESPA pelo apoio financeiro
no desenvolvimento desta e de outras pesquisas.
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6 Referências
ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5739: Ensaio de
Compressão de corpos de prova cilíndricos de concreto - Método de ensaio. Rio de
Janeiro, 1994.
____. NBR 7222: Argamassa e concreto - Determinação da resistência à tração por
compressão diametral de corpos-de-prova cilíndricos. Rio de Janeiro, 1994.
____. NBR 8522: Determinação dos módulos estáticos de elasticidade e de
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