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Capítulo 47
CONCRETO COM AGREGADOS RECICLADOS
Sérgio C. Angulo Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S.A. Universidade de São Paulo
Antônio D. de Figueiredo Universidade de São Paulo
47.1 Introdução
O concreto com agregados reciclados é aquele produzido com resíduos britados, em substituição parcial ou total aos agregados convencionais. Como os agregados convencionais, oriundos de rochas britadas, seixos e areias lavadas de rio são muito pouco porosos, a resistência ou durabilidade do concreto convencional é controlada exclusivamente pela porosidade (vazios) da pasta de cimento (Figura 1a), conforme discutido nos capítulos 11 e 13.
(a) (b) Figura 1 – Microestrutura do concreto com agregado natural (a) e com agregado reciclado (b) (ETXEBERIA, 2004). A parte verde mais escura representa a fluorescência da pasta de cimento porosa. A parte verde mais clara representa os defeitos e poros do agregado reciclado de concreto.
Já os agregados reciclados são mais porosos que os agregados de rochas britadas e areias naturais. Assim, a resistência e durabilidade deste outro tipo de concreto são controladas, não apenas pela porosidade da pasta de cimento, mas também pela porosidade
Pasta de cimento antiga endurecida
Pasta de cimento nova endurecida
Pasta de cimento endurecida
do agregado (Figura 1b), que facilmente ultrapassa os 10%. Assim, a diferença essencial entre um concreto convencional e um concreto com agregado reciclado é a porosidade. O agregado reciclado é aquele obtido pela reciclagem dos resíduos de construção e demolição (RCD) ou de algum outro resíduo que tenha condições de ser utilizado no concreto. Atualmente, a principal fonte de resíduos para a produção destes agregados é a própria construção civil. Os agregados de RCD são constituídos por fragmentos de concretos, argamassas, cerâmicas e outros materiais secundários, obtidos pela britagem e outras operações de descontaminação. Assim, a composição desse agregado é bastante variável, podendo ser constituído quase exclusivamente por concreto, ou misturado com cerâmica vermelha (Figura 2 ). Na composição, sempre há teores secundários de madeira, aço, vidro (entre 1-2 %), como pode ser observado na Figura 2a.
(a) (b) Figura 2 – Agregado de concreto reciclado (a) e agregado de RCD misto (com cerâmica vermelha) (b).
Utilizar agregado reciclado de RCD é, atualmente, uma necessidade primária para o setor da construção civil; maior consumidor de matérias-primas entre os setores industriais. O concreto é o material industrial mais consumido pelo homem (capítulo 1) e seus constituintes, o cimento e os agregados, são matérias-primas não renováveis, embora extremamente abundantes no planeta. No ano de 2010, foram consumidas 60 milhões de toneladas de cimento no Brasil, segundo dados do Sindicato Nacional da Indústria do Cimento (SNIC). Admitiu-se 70% deste consumo destinado para a produção do concreto (Lima, 2010). Assumindo as mesmas premissas de John (2007) quanto à relação cimento:agregados (1:5) e à relação água/cimento (0,60), estima-se hoje a produção de 280 milhões de toneladas de concreto; sendo que deste total 210 milhões são agregados naturais. Nesta utilização é consumida quase metade da produção nacional de agregados. Ao substituir agregado de rochas britadas por agregado reciclado pode-se evitar que 95 milhões de toneladas de RCD sejam dispostas em aterros e evita-se o consumo de recursos naturais não renováveis. A cada ano, as obras de construção e de renovação urbana imputam, em média, 500 kg de resíduo por habitante (MC, 2005); um problema grave quando considerada a nossa
a necessidade de controle de qualidade e emprego de tecnologias de processamento mais avançadas, buscando a obtenção de agregados de RCD de melhor qualidade. Controlando-se seus teores de substituição ou a porosidade dos agregados de RCD, torna-se possível seu uso até no concreto estrutural (resistências características superiores a 25 MPa) como é o caso da ponte ilustrada na Figura 4a. Além disso, muitas aplicações usuais de engenharia não requerem o concreto estrutural. São exemplos de concretos não estruturais que permitem o uso integral (100%) dos agregados de RCD: concretos magros, blocos pré-moldados de concreto (Figura 4b), contrapisos, calçadas, bancos, etc.
(a) (b) Figura 4 – Concreto estrutural com 20% de agregado reciclado de concreto (VAZQUEZ, 2008) (a) e bloco pré- moldado de concreto com 100% agregado reciclado misto (b).
47.1.1 Histórico
O RCD foi reciclado pela primeira vez na Alemanha por causa da necessidade de se reconstruir as cidades completamente destruídas pela 2ª Guerra Mundial (LEVY, 2001). É por isso que a Europa foi o continente precursor em reciclagem e possui a maior experiência no assunto. A influência dos agregados de RCD no concreto tem sido investigada desde a década de 1980 (KASAI, 1993). Durante a década de 1990, países como Holanda, Alemanha, Bélgica implementaram políticas duras envolvendo o uso de áreas de aterros, proibindo tal destino para resíduos passíveis de reciclagem (HENDRIKS, 2000). Os custos para aterramento se tornaram proibitivos e viabilizaram economicamente algumas alternativas de reciclagem. Foi assim que muitas empresas de demolição passaram a investir em desmontagem das edificações, procurando retirar contaminantes perigosos (fibrocimento contendo fibras de amianto, madeira tratada com pesticidas, etc.) e triar o resíduo proveniente de estruturas de concreto, procurando obter o agregado reciclado. Além disso, essas empresas passaram a adquirir usinas móveis de reciclagem, com o intuito de economizar com o transporte e aumentar a lucratividade do negócio. Na Alemanha, existem, atualmente, cerca de 3.000 unidades móveis e 1.600 usinas fixas de reciclagem. No Brasil, existem apenas 28 usinas atualmente. O tipo de aplicação do agregado reciclado em ambos os países não é diferente. Grande parte do RCD reciclado é empregada como
material para nivelamento de terrenos ou bases de pavimentos, não sendo propriamente utilizado no concreto, onde requer critérios de controle de qualidade mais restritivos, muito embora seja um grande mercado para a reciclagem. No entanto, diversos países já possuem normas para controle do uso de agregados de RCD no concreto (HENDRIKS, 2000; DIN 4226-100:2002; ABNT NBR 15116:2004; VAZQUEZ, 2008). O Japão é o único país que possui normas para produção de agregados de RCD reciclados de alta qualidade. Este fato demonstra que existem diferentes níveis de maturidade dos mercados de modo a propiciar melhores condições para o uso dos agregados de RCD no concreto.
47.2 Reuso do agregado convencional a partir do concreto fresco
A primeira fonte de resíduo que deve ser observada de modo a permitir o uso do material reciclado como agregado é a própria fabricação do concreto. É possível reutilizar o agregado convencional quando o concreto retorna ainda fresco (não endurecido) na central (Figura 5). A pasta de cimento não hidratada é lavada com água e sofre atrição dentro de um tambor. Dessa forma, ao final do processo, obtém-se o agregado convencional e uma água de lavagem (que geralmente contém finos de cimento e aditivos, em suspensão).
1 – Água +
concreto fresco
2 – Água de
lavagem+cimento
3- Lavagem por
atrição
4- Agregado
convencional
recuperado
Figura 5 – Equipamento para reuso do agregado convencional, partir do concreto fresco (SWING STETTER, 2000 apud BUTTLER, 2003).
A ABNT NBR 12655:2006 permite recuperar os agregados convencionais (quartzo, granito) do concreto fresco, por lavagem, para uso no novo concreto, se for mantida a natureza desses agregados. Conforme essa Norma, agregados recuperados não subdivididos quanto à sua granulometria podem ser adicionados em quantidade menor do que 5% do total de agregados no concreto. Apenas se o agregado recuperado for classificado e separado nas diferentes frações e atender aos requisitos da ABNT NBR 7211:2009 é que poderá ser utilizado em um novo concreto em quantidade maior que 5% do total. Muitas centrais dosadoras de concreto possuem tal equipamento, mas, atualmente, tendem ao desuso. O custo da água tem subido ao longo dos anos e o uso do equipamento implica em custos operacionais mais elevados. Além disso, o processamento do concreto retornado aumenta a quantidade de água de lavagem do agregado, a qual requer um controle de qualidade rigoroso, para poder ser
Figura 6 – Usina fixa de reciclagem de RCD com dois estágios de britagem: BBW Recycling Mittelelbe/Magdeburg - Alemanha. Autoria: C. Ulsen. Extraído de Angulo et al. (2009).
Figura 7 – Emissão de particulado próximo ao britador numa usina de RCD nacional. Extraído de Santos; Pinto (2008).
47.3.1 Separação e fragmentação do resíduo de concreto
O resíduo de concreto armado é o resíduo menos poroso e mais resistente presente no RCD passível de ser utilizado como agregado. Assim, é interessante segregá-lo na demolição para se produzir agregados reciclados de melhor qualidade. Nesse caso, o aço, apesar de ser mais denso que o concreto, é um material indesejável e deve ser eficientemente removido, manual ou magneticamente, quando ocorre a fragmentação ou corte do concreto armado, antes da britagem propriamente dita. A fragmentação preliminar é fundamental porque as peças de concreto armado possuem grandes dimensões, o que impossibilita a alimentação direta do britador. Esta operação pode ser feita por meio de tesouras hidráulicas ou rompedores pneumáticos acoplados em escavadeiras (Figura 8), capazes de cortar até peças inteiras de concreto armado.
Partes anexáveis Equipamento
Extensão
Figura 8 – Peças de encaixe nas escavadeiras para fragmentação e corte de peças de concreto armado. Extraído de BSI (2000).
Fratura por abrasão (^) Fratura por impacto
Fratura por compressão
Tamanho da partícula
Frequência (%)
Tamanho da partícula
Frequência (%)
Tamanho da partícula
Frequência (%)
Figura 9 – Distribuições de tamanho de partículas x processo de fratura. Adaptado de King (2001) apud Neves (2005).
Figura 10 – Desenhos esquemáticos dos britadores de mandíbula e de impacto. Extraído de Tseng (2010), a partir de APCA (2009) modificado.
Dependendo da dimensão máxima do agregado de RCD que se pretende produzir, a britagem, seja obtida por compressão ou impacto, não é capaz de separar os dois materiais constituintes no concreto: a) os agregados naturais (quartzo, granito) e b) a pasta de cimento endurecida. Isto é conseguido com maior eficiência através do processo de reciclagem por tratamento térmico e moagem (SHIMA et al., 2005; TOMOSAWA et al., 2005; NAWA, 2010). Nesse processo, o resíduo de concreto menor que 50 mm é aquecido em um forno vertical movido a querosene até aproximadamente 300°C. O concreto sofre dilatações térmicas distintas, causando fissuração na interface desses materiais (pasta de cimento e agregado natural). Essa fissuração fragiliza a ligação mecânica entre esses materiais (Figura 11 ), facilitando sua separação pela moagem (cominuição por abrasão). Além disso, nessa temperatura, a pasta de cimento sofre desidratação, tornando-se mais fraca, o que reduz o tempo de moagem necessário. Dependendo da temperatura de processo, a absorção de água do agregado reciclado de concreto pode ser praticamente igual a dos agregados naturais (0-3 %). O tempo de moagem depende da resistência do concreto (NAWA, 2010), mas geralmente se situa entre 30 e 60 minutos. Por fim, têm-se, em média, 35% de agregado graúdo, 30% de agregado miúdo e 35% de finos, em massa do resíduo original.
Tratamento
Térmico
Tratamento por
Atrição
Resíduo de
Concreto
Fissuração da
pasta de cimento
Remoção da
pasta de cimento
Figura 11 – Mecanismo de liberação do agregado natural presente no resíduo de concreto por tratamento térmico e moagem. Extraído de Nawa (2010).
Figura 13 – Funcionamento do equipamento de separação pneumática. Extraído de Hendriks (2000).
O scrubber (Figura 14) é um equipamento capaz de remover pequenos fragmentos de papel, plástico e madeira leve, etc. e finos presentes no agregado de RCD. O material sofre intensa abrasão nas barras elevatórias. A água é alimentada em contracorrente e conduz as partículas leves e os finos, na direção da alimentação, sendo desaguados numa peneira. A água é recuperada e torna a circular. O agregado lavado é conduzido até a outra extremidade, onde é desaguado e descarregado.
1 Alimentação 2 Guias em forma de espiral 3 Descarga do produto lavado 10 Descarga da fração orgânica leve
Figura 14 – Funcionamento do scrubber. Extraído de Butenbach (1997).
O jigue é um equipamento bipartido (Figura 15), em formato de um tanque ou arca, que estratifica as partículas em camadas de diferentes densidades, através da pulsação intermitente da água no plano vertical, com movimentos de dilatação e contração (SAMPAIO; TAVARES, 2005). No jigue pneumático tipo BAUM, o pulso é obtido pela injeção periódica de ar comprimido em uma das duas câmaras de formato “U”. A fração orgânica e outros minerais leves são transbordados e desaguados numa peneira. O agregado graúdo denso é descarregado por uma válvula rotativa. No caso dos agregados de RCD, o jigue tem as seguintes vantagens (JUNGMANN et al., 1997): o teor de materiais indesejáveis é reduzido para 0,05%, incluindo parte da cerâmica vermelha, permitindo atender requisitos de qualidade para uso em concretos, redução da emissão de particulados no processamento; redução do teor de finos, evitando o aumento na demanda de água na produção do concreto^2 ; e equipamento de baixo custo operacional com elevada capacidade de produção (> 100 t/h).
Figura 15 – Funcionamento do jigue pneumático. Extraído de http://allmineral.com.
(^2) Isso pode ser contornado pelo uso de aditivos, apesar de encarecer a produção do concreto.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Teor em massa acumulado
cerâmica vermelha cimentícios outros
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Teor em massa acumulado
cerâmica vermelha cimentícios outros
(a) Macaé-RJ (b) São Paulo-SP Figura 17 – Composição dos agregados de RCD obtidos em diferentes caçambas e cidades brasileiras.
A porosidade também varia para cada tipo de material presente nos agregados de RCD. A absorção de água da cerâmica vermelha varia bastante, podendo chegar a 24% (Figura 18). A absorção de água das partículas cimentícias também varia (ora puro concreto, ora pura argamassa), podendo alcançar 15%. Consequentemente, a porosidade do agregado de RCD é mais fortemente influenciada pela quantidade de cerâmica vermelha presente no material (Figura 19).
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 - 14% 14 - 21% 21 - 24% > 24%
Frequência acumulada (%)
Absorção de água das partículas - classes (%)
Sao Paulo Vinhedo Santo Andre
Partículas de cer. vermelha
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 - 5 5 - 10 10 - 15 > 15
Frequência acumulada (%)
Absorção de água das partículas - classes (%)
Sao Paulo Vinhedo Santo Andre
Partículas cimentícias
Figura 18 – Absorção de água de partículas de cerâmica vermelha e de cimento nos agregados de RCD.
y = 0,13x + 6,
R² = 0,
Absorção de água (% de massa)
Teor de cerâmica vermelha (% de massa)
Vinhedo-Sao Paulo
Santo Andre
Macae
Linear (todos)
Figura 19 – Influência do teor de cerâmica vermelha na absorção de água do agregado de RCD misto.
Quanto menor for a porosidade do RCD, mais resistente a esforços mecânicos ou de abrasão será o agregado reciclado, cada vez mais se assemelhando ao agregado natural. Além disso, agregados porosos são mais friáveis e geralmente possuem teores mais elevados de finos. Assim, para garantir a qualidade dos agregados de RCD é necessário atender aos requisitos especificados pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) (Quadro 1) e observar os seguintes princípios básicos:
implementar segregação na origem e triagem nas usinas de forma que os agregados de RCD contenham o mínimo possível de materiais indesejáveis ou contaminantes; utilizá-los em substituição ao agregado convencional, de modo a não elevar demasiadamente a porosidade média e a evitar um incremento exagerado no consumo de cimento, conforme será abordado no item seguinte; ou produzir agregados de RCD com menor porosidade para a produção de concretos estruturais^3 , conforme será abordado no item seguinte.
(^3) atualmente não há norma brasileira que estabeleça o uso do RCD em concreto estrutural, de forma que os
agregados, para esse tipo de aplicação, devem satisfazer as exigências da ABNT NBR 7211, que é referenciada pela ABNT NBR 12655 para os requisitos relativos aos agregados para concreto.
0
1
10
100
1000
10000
0,000 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070 0,080 0,090 0,
Massa representativa (kg)
Teor de materiais indesejáveis (em kg/kg)
d95=32 mm d95=16 mm d95=4 mm
Figura 20 – Massa mínima da amostra x teor de materiais indesejáveis (ANGULO; MUELLER, 2009).
Como os agregados de RCD são heterogêneos, as amostras representativas devem ser homogeneizadas, antes de qualquer redução de massa para a preparação de subamostras destinadas aos ensaios de caracterização. Uma das técnicas mais empregadas na Engenharia Mineral é a formação de uma pilha alongada (PETERSEN, 2004; ANGULO, 2005). O material deve ser distribuído, de maneira uniforme e ininterrupta, em camadas sucessivas e em sentidos alternados, conforme apresentado na Figura 21. Ao final, as extremidades devem ser recortadas e redistribuídas porque a distribuição de massa nesses locais é heterogênea. As amostras de ensaio deverão ser então retiradas a partir de recortes transversais a esta pilha de homogeneização.
após redistribui
retomada das e
redistribuição d
homogene
Figura 21 – Execução de uma pilha alongada (ANGULO, 2005).
47.4.2 Composição
A verificação da composição dos agregados de RCD é feita através da determinação das proporções dos materiais constituintes (madeira, cerâmica vermelha, concreto, etc.). As normas nacionais e internacionais recomendam o procedimento da catação (HENDRIKS, 2000; DIN, 2002; ABNT, 2004b). Nesse ensaio, os materiais são identificados visualmente (Figura 22), segregados e determinam-se as massas respectivas. Embora demorado (cerca de 4 horas de ensaio para se caracterizar uma única amostra) e com reprodutibilidade desconhecida até o momento, é o único método aceitável consensualmente para se quantificar cerâmica vermelha e materiais indesejáveis (orgânicos
- madeira, plástico, papel, concreto asfáltico; inorgânicos – metal, vidrado cerâmico) e contaminantes - gesso e telhas de cimento amianto, geralmente). É muito difícil por esse método diferenciar concreto e argamassa (ANGULO, 2005) e, por isso, deve-se quantificá- los como um único material; os cimentícios. O único critério objetivo para distinguir os materiais cimentícios seria através da determinação da sua porosidade e, nesse caso, quase toda a porosidade, seja do concreto ou da argamassa, advém da pasta de cimento endurecida. Assim, no material composto por cimento e rochas não carbonáticas do RCD, deve-se quantificar a pasta de cimento, por ataque com HCl. O teor de pasta de cimento nessas partículas cimentícias pode ser determinado, com precisão, na amostra pulverizada, pela diferença entre a massa inicial da amostra e essa massa atacada com ácido clorídrico 33% (QUARCIONI, 1998; ANGULO, 2005) (Figura 23).
