Autores
Goulart, J.F.M. (UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA) ; Silva, F.K. (UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA)
Resumo
Este trabalho teve como objetivo investigar o efeito da incorporação de 2% de
nanopartícula de óxido de alumínio (NP-Al) e lodo de anodização de alumínio (LAA)
no concreto para analisar seus efeitos no comportamento da compressão e de
abatimento do concreto. A NP-Al produzida a partir do LAA foi sintetizada através
do processo de precipitação em meio aquoso. O LAA e a NP-Al foram incorporados na
formulação do concreto substituindo o cimento CP-IV 32 em uma quantidade definida
em 2%, para realizar esta incorporação foram moldados corpos de prova para serem
rompidos com idades de 7 e 28 dias. Os resultados dos ensaios de compressão
uniaxial e de abatimento do concreto para a idade de 7 dias e 28 dias foram
maiores quando se utilizou 2% de NP-Al quando comparados com a adição de 2% do
LAA.
Palavras chaves
Lodo de anodização; Cimento CP-IV 32; Nanopartícula
Introdução
Um grande desafio para a economia mundial e para o meio ambiente é conciliar o
desenvolvimento econômico com a preservação ambiental. Percebe-se que os resíduos
sempre fizeram parte das indústrias e na vida das pessoas, porém, com um aumento
exponencial da população e, consequentemente, dos processos industriais para
atender a todas as necessidades, esses resíduos sólidos tiveram um aumento maior
do que se podia absorver, sendo que, nem todos serão reutilizados ou reciclados ou
realizado um destino ambientalmente correto.
Dentre os mais variados tipos de resíduos sólidos, existe o lodo de anodização de
alumínio (LAA), que segundo Gomes (2005, p.21), [...] em função da sua natureza
complexa e dificuldade de manuseio, estas lamas não tiveram nenhuma aplicação
relevante durante anos, sendo destino final a deposição em aterros sanitários
[...]. Segundo a Associação Brasileira do Alumínio (ABAL, 2017), a produção
brasileira de alumínio primário no ano de 2016 foi de, aproximadamente, 772,2 mil
toneladas, porém, de acordo com a associação, não existem dados específicos sobre
a quantidade de alumínio anodizado no país.
A necessidade de novas pesquisas e métodos que visam a preservação ambiental e
socioeconômica, busca aperfeiçoar também o cimento Portland, assim como reutilizar
o lodo de anodização de alumínio. Percebe-se através da literatura que, este lodo
tem sido pouco utilizado e estudado no Brasil, sobretudo no desenvolvimento de
novos produtos em escala industrial.
Algumas pesquisas ao longo dos últimos anos estão surgindo na literatura como por
exemplo, Costa (2013) utilizou o lodo de anodização de alumínio na produção de
cimento sulfoaluminanto de cálcio belítico ou ainda Gomes (2005), que sintetizou
pigmento cerâmico com as estruturas de mulita e alumina obtidas a partir de lodo
de anodização de alumínio. Silva (2019), obteve nanopartícula de hidróxido de
alumínio e óxido de alumínio a partir do LAA para aplicação em agente antichama em
materiais poliméricos. Outras aplicações do lodo foram descobertas por Pereira
(2006), que utilizou o lodo como fonte alternativa mineral: composições cerâmicas
e cimentícias. E Moraes (2010) que produziu e caracterizou espumas cerâmicas
obtidas a partir de lodo de anodização de alumínio, sendo que o LAA também foi
utilizado para a formulação de um novo pigmento inorgânico azul (LEITE, 2008). Os
trabalhos encontrados na literatura mostram a ampla possibilidade do
reaproveitamento deste material.
Com base no que foi exposto, nota-se que o LAA foi utilizado de várias formas,
porém, são raros na literatura os trabalhos que obtiveram nanopartícula de óxido
ou hidróxido de alumínio a partir deste material. Um dos trabalhos encontrados na
literatura foi desenvolvido por Silva (2019, p.22), que mostrou ser [...] possível
obter esse composto em escala nanométrica pelo processo de precipitação utilizando
o LAA como percursor de nanopartícula de hidróxido e óxido de alumínio [...].
De acordo com Muzenski (2019), nanomateriais são excelentes matérias-primas
visando o desenvolvimento e desempenho dos compósitos a base de cimento, que [...]
o aumento de desempenho é alcançado pela produção de uma microestrutura mais densa
e, no caso quando nanofibras são utilizadas, pode reduzir o início de rachaduras
[...] (Muzenski, 2019 p.27).
Partindo destes estudos, outros resíduos derivados de alumínio já foram utilizados
para a produção de nanopartícula, como por exemplo, Muzenski (2019) diz que, os
nanomateriais de óxido de alumínio têm o potencial para fornecer um aumento
significativo na resistência à compressão de materiais à base do cimento e o mesmo
utilizou nanofibras de óxido de alumínio para obter compósitos a base de cimento
de ultra alta resistência e chegou à conclusão que nanofibras de óxido de alumínio
a base de cimento argamassa com uma dosagem de 0,25. Vipulanandan et al. (2018)
modificou o desempenho do cimento inteligente com óxido de alumínio nano (Nano
Al2O3), um dos resultados desta modificação foi alcançar um melhor comportamento
compressivo do cimento inteligente e reduzir a resistividade do material. Kouamo
et al. (2012) utilizaram teores de 0%, 10%, 20%, 30% e 40% de óxido de alumínio em
geopolímeros a base de metacaulim e cinzas vulcânicas.
Sendo assim, o presente trabalho buscou avaliar, em escala laboratorial, o
desempenho de concreto utilizando o Cimento CP-IV 32 incorporado com lodo de
anodização de alumínio, onde foram avaliadas, a incorporação do LAA e NP-Al em
quantidades de 2%, e analisado o desempenho de compressão e de abatimento do
concreto das amostras.
Material e métodos
Os equipamentos e reagentes necessários para a realização dos procedimentos
experimentais foram fornecidos pela Universidade do Sul de Santa Catarina. O lodo
de anodização de alumínio foi fornecido por uma empresa de produção de alumínio
situada na Região Sul de Santa Catarina.
A NP-Al foi obtida através da síntese de Silva (2019), que produziu a
nanopartícula, através dos métodos baseado em trabalhos já descritos e
consolidados na literatura (KHAZAEI et al., 2016; LOUAER; WANG; GUO 2013;
MAHINROOSTA; ALLAHVERDI, 2018). A quantidade de NP-Al adicionada ao cimento CP-IV
32 foi baseada em Vipulanandan et. al. (2018), que adicionou 1% ao cimento
inteligente com uma relação água cimento de 0,38 que com esta quantidade de
NanoAl203.
O método utilizado para a calcinação do LAA e da NP-Al foi baseado em trabalhos já
descritos e consolidados na literatura (AQUINO, 2007; COSTA, 2013; FLORIANO, 2014;
LEITE, 2008; MARTINS, 2006; MORAES, 2010; SARTOR, 2006). As amostras de NP-Al
foram tratadas a temperatura de 1.200 °C para obtenção de óxido de alumínio, sendo
calcinadas em forno mufla, com uma rampa de aquecimento de 10 °C/min e patamar de
queima de 2 horas.
Para o processamento dos corpos de prova foram dosadas 3 composições variando os
teores de matérias-primas, além disso, foram moldados 4 corpos de prova sem adição
nenhuma de LAA ou NP-Al, estes 4 corpos de prova serão chamados de concreto
referência e seus resultados serviram de base para a análise dos resultados das
demais composições. Para as demais composições também foram moldados 4 corpos de
prova, 2 para a idade de 7 dias e 2 para a idade de 28 dias assim como o concreto
referência, totalizando 12 corpos de prova ao final do processo.
Após a mistura do concreto foi realizado o ensaio de abatimento para verificar a
trabalhabilidade do concreto seguindo a NBR NM 67:1998. Posteriormente foram
moldados os corpos de prova seguindo a NBR 5738:2015, foram usados moldes
cilíndricos com 200 mm de altura e 100 mm de diâmetro moldados em 4 corpos de
prova. A cura dos corpos de prova foi realizada em ambiente seco.
Após o processo de calcinação do lodo os corpos de prova com adição de LAA e NP-Al
foram moldados a partir do mesmo traço do concreto referência, porém modificado na
relação cimento/LAA e cimento/NP-Al pois nos corpos de prova foi alterado a
quantidade de cimento, sendo no traço de cimento com 2% de LAA e NP-Al, foi
diminuído 2% de cimento e adicionado o lodo calcinado de anodização de alumínio. A
relação água cimento utilizada foi de 0,60.
Foi realizado o ensaio de abatimento do concreto seguindo as especificações da NBR
NM 67:1998, sendo que, este ensaio determina a consistência do concreto fresco
através da medida de seu assentamento.
Foram realizados os ensaios de compressão uniaxial, utilizando uma máquina de
ensaio à compressão marca: EMIC, modelo: PCE – 150 – De seguindo os parâmetros
conforme a NBR 5739:2018.
Resultado e discussão
A nanopartícula de hidróxido de alumínio desenvolvida, o LAA e as nanopartículas
de óxido de alumínio (NP-Al) deveriam ter sido caraterizadas utilizando as
técnicas de Fluorescência de Raio X (FRX), Difração de Raio X (DRX) e, Microscopia
Eletrônica de Transmissão (MET). Os resultados obtidos por essas técnicas nos
ajudariam a identificar a composição química, as principais fases, a morfologia e
o tamanho das partículas do LAA e das NP-Al de hidróxido e óxido de alumínio.
Verificamos que o LAA apresenta um teor de água bastante elevado, devido à
presença de minerais fortemente hidratados e à presença de elementos minoritários
na forma de óxido de cálcio (CaO), óxido de ferro (Fe2O3) e de níquel (NiO),
resultado de contaminação e dos agentes químicos utilizados no tratamento das
águas de lavagem (MORAES, 2010). Neste trabalho a perda de água após ser colocado
na estufa a uma temperatura de 105 °C foi de 60%.
Através dos resultados obtidos é possível observar a perda ao fogo decorrente do
processo de calcinação, são referentes à umidade e a perda de massa relacionada
com impurezas, e moléculas de água e de elementos que constituem os minerais
(CARVALHO, 2010).
Após o processo de calcinação, deveriam ter sido realizados os ensaios de FRX, DRX
e MET, sobretudo para identificar o percentual de alumina presente no LAA e na NP-
Al, assim como o tamanho das partículas. Estudos desenvolvidos por (AQUINO, 2007;
COSTA, 2013; FLORIANO, 2014; LEITE, 2008; MARTINS, 2006; MORAES, 2010; SARTOR,
2006 e SILVA, 2019) apontam que o principal constituinte da LAA após o tratamento
térmico é óxido de alumínio, sendo que os autores indicam que o aumento no
percentual da alumina é devido à perda ao fogo ocorrida durante o processo de
calcinação.
Silva (2019) caracterizou o LAA e a NP-Al obtidas após o processo de calcinação e
foram analisadas por meio da técnica de FRX, sendo que a composição química do LAA
e da NP-Al calcinadas apresentam o óxido de alumínio (Al2O3) como constituinte
mais abundante nas duas amostras analisadas.
Os resultados obtidos através do ensaio de abatimento do concreto, seguindo todas
as especificações da NBR NM 67:1998, onde foi analisado o abatimento do lodo de
anodização de alumínio (LAA) e da NP-Al, essas substituições fizeram com que o
concreto ficasse com uma trabalhabilidade menor. O concreto referência com o traço
utilizado mostrou um Slump de 9 cm, já a amostra com adição de 2% de nanopartícula
de óxido de alumínio obteve um Slump de 7 cm e a pior trabalhabilidade foi
encontrada na composição que se utilizou a adição de 2% de LAA, com esses
resultados é possível analisar que a adição das duas composições gerou uma
absorção da quantidade de água gerando provavelmente uma desidratação do concreto
o que pode explicar as resistências menores nos ensaios de compressão além, de
fornecer resistências menores de compressão a baixa quantidade de água no concreto
podem gerar futuramente rachaduras e fissuras no concreto.
Os resultados obtidos através dos ensaios de resistência à compressão, cuja
finalidade é atender aos objetivos de incorporar nanopartícula de óxido de
alumínio e o lodo de anodização de alumínio no concreto utilizando o cimento CP-IV
32 em quantidade de 2% e, analisar os resultados dos testes de compressão
realizados nos corpos de prova para análise da viabilidade da incorporação do LAA
e NP-Al.
O controle da resistência à compressão de um material tem por finalidade verificar
a conformidade da resistência dos diferentes lotes analisados. Decorridos o
período de cura de 7 e 28 dias foram realizados os ensaios de compressão uniaxial
seguindo a NBR 5739:2018.
Os resultados obtidos com a ruptura dos corpos de prova com idade de 7 e 28 dias
respectivamente dos corpos de prova moldados em Laboratório. Segundo a NBR
5739:2018 deve ser feito o ensaio de compressão uniaxial em dois corpos de prova e
descartar o corpo de prova com o menor valor de resistência à compressão, sendo
assim, para o ensaio de compressão uniaxial foi considerado o corpo de prova com o
maior valor de resistência à compressão.
Após a realização dos testes de compressão com a ruptura do concreto com idade de
7 dias pode-se analisar que não teve uma diferença significativa entre os lotes
analisados, sendo que a maior resistência obtida em 7 dias foi com o concreto
referência 11,04 MPa, seguido do concreto com adição de 2% de LAA com resistência
de 11 MPa e, a menor resistência foi obtida com o concreto com adição de 2% de NP-
Al com resistência de 9,57 MPa.
A partir dos testes com idades de 28 dias pode-se analisar uma diferença
considerável entre a maior resistência obtida com o concreto referência que foi de
21,72 MPa, para a maior resistência alcançada com o NP-Al 18,59 MPa, onde ocorre
um decréscimo de 14,41% na resistência à compressão comparando o concreto
referência. Comparando os resultados do concreto referência com a amostra de LAA,
percebe-se que ocorreu um decréscimo 18,87% na resistência à compressão, como
mostra o Gráfico 1.
Segundo Souza (2018), que utilizou o lodo de anodização de alumínio com um agente
expansor em matrizes cimentíceas, os resultados dos ensaios de compressão uniaxial
foram afetados nos primeiros dias de cura do concreto devido a adição deste
material na mistura do concreto porque houve um retardamento na hidratação do
concreto.
Vipulanandan et al. (2018), utilizou uma nanopartícula de óxido de alumínio
(Al2O3) semelhante a que foi utilizada neste trabalho e, obteve um bom
comportamento melhorando inclusive a resistência à compressão e, utilizou o
cimento inteligente como base.
De acordo com Muzenski (2019), grandes dosagens de nanomateriais podem se tornar
menos eficazes porque esse material absorveria a água e atrasaria a hidratação e
também as nanopartículas se tornariam mais aglomeradas e este grau de aglomeração
as tornaria menos eficazes, portando seria possivelmente um dos motivos de uma
pouca ou nenhuma melhora na resistência a compressão nos primeiros meses. No
entanto, com idades superiores a 90 dias ficou claro que a curva de compressão
fica ascendente tendo assim resultados satisfatórios à compressão (MUZENSKI,
2019).
Gráfico 1 – Resultados teste compressão uniaxial.
Conclusões
Os resultados apresentados pela incorporação de LAA e NP-Al na composição do
concreto utilizando cimento CP-IV 32 demonstraram um potencial técnico deste
material para que se possa utilizar como matéria-prima na construção civil. Porém,
sugere-se que aplicações que não sejam necessárias promover a calcinação ou
lavagem do lodo para que se torne a utilização do mesmo mais econômico para as
empresas, sendo assim, se tornando um material mais atrativo do ponto de vista
econômico.
Foram realizadas 8 composições com teores de 2% de LAA e 2% NP-Al em peso com
relação ao cimento. Foram alcançados valores de resistência uniaxial aos 28 dias
de cura com uma variação entre 17,62 a 21,72 MPa. Também foi observado que os
resultados dos testes de compressão uniaxial variam quanto o passar do tempo e com
idades de cura maiores, maior será sua resistência, sendo assim, a uma tendência
de que com idades de cura avançadas as resistências à compressão sejam maiores do
que concretos sem adição. O LAA e a NP-Al consomem uma maior quantidade de água na
hidratação podendo gerar assim uma desidratação na cura do concreto sendo assim,
para a utilização do concreto com essas composições é necessária uma relação
água/cimento maior. A utilização deste resíduo usando como substituto às matérias-
primas naturais é viável do ponto de vista econômico, devido ao baixo custo e com
uma grande quantidade disponível levando em comparação com as matérias-primas
extraídas do meio ambiente.
O maior beneficiado com as aplicações dos resultados alcançados neste trabalho é o
meio ambiente, considerando que a utilização do resíduo de anodização do alumínio
sejam empregados na formação de novos compósitos e materiais e, assim levando a
uma real possibilidade de utilização destes resíduos evitando assim o descarte em
aterros sanitários evitando a contaminação e minimizando a retirada de recursos
naturais devido ao reaproveitamento deste lodo.
Agradecimentos
Referências
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