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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL

CARACTERIZAÇÃO E AVALIAÇÃO DA EXPANSIBILIDADE DE ESCÓRIAS DE ACIARIA LD NÃO TRATADAS E TRATADAS

Gisele Lopes Carreiro Rodrigues Vitória, 2007

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA CIVIL


Dissertação apresentada ao Programa de Pós-

Graduação em Engenharia Civil da Universidade Federal

do Espírito Santo, como parte dos requisitos para

obtenção do título de Mestre em Engenharia Civil.

Gisele Lopes Carreiro Rodrigues Orientadores: Profa Dra Maristela Gomes da Silva

Profa Dra Moema Ribas Silva Prof. MSc. Fernando Lordêllo dos Santos Souza

Profa Dra Eliana Zandonade Vitória, 2007

Dados Internacionais de Catalogação-na-publicação (CIP) (Biblioteca Central da Universidade Federal do Espírito Santo, ES, Brasil)

Rodrigues, Gisele Lopes Carreiro, 1976- R696c Caracterização e avaliação da expansibilidade de escórias de aciaria

LD não tratadas e tratadas / Gisele Lopes Carreiro Rodrigues. – 2007. 147 f. : il. Orientadora: Maristela Gomes da Silva. Co-Orientadores: Moema Ribas Silva, Fernando Lordêllo dos Santos

Souza, Eliana Zandonade. Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Espírito Santo,

Centro Tecnológico. 1. Aço. 2. Escória. 3. Microestrutura. 4. Teste a vapor. I. Silva,

Maristela Gomes da. II. Silva, Moema Ribas. III. Souza, Fernando Lordêllo dos Santos. IV. Zandonade, Eliana. V. Universidade Federal do Espírito Santo. Centro Tecnológico. VI. Título.

CDU: 624

Dedico este trabalho ao meu marido, Adilson, pelo amor, compreensão e

incentivo, e ao meu filho, Nicolas, pelo carinho e pelo amor incontestáveis.

Aos meus pais e minha irmã, pela confiança e dedicação na minha educação.

AGRADECIMENTOS

Agradeço, em primeiro lugar, a Deus, que ilumina nossas vidas. À Professora Maristela Gomes da Silva, pelo apoio, incentivo, amizade e pela orientação deste trabalho. À Professora Moema Ribas Silva, pelo carinho, amizade, conselhos e pelas minuciosas correções. Ao Professor Fernando Lordêllo dos Santos Souza, pela valiosa orientação na caracterização física e, por me ensinar que “estamos no mundo para servir”. À Professora Eliana Zandonade, por me auxiliar com seus conhecimentos estatísticos. Aos amigos e técnicos do Laboratório de Materiais de Construção Civil, Carlos, Márcio, Loriato, Sebastião e Jorge. Em especial ao Roger, pela inestimável disposição demonstrada durante a realização dos ensaios de expansibilidade. À minha querida amiga Marina Polese, companheira e incentivadora de todos os momentos dessa caminhada, desde a inscrição para a prova do mestrado até a impressão deste trabalho. Aos colegas do mestrado, em especial ao Paulo Lana, pela grande disposição em ajudar. Aos meus amigos do NEXES, Prof. Maurício, Profª. Kátia Bourguignon, Profª. Sayonara, Profª. Antonina, Prof. Florindo, Prof. Robson, Prof. Uberecilas, Prof. Reno, Profª. Kátia Bicalho, Délio, Milton, Carlos, Fábio, Denise, Giliardi, Daniela e Fernanda. Aos funcionários do Centro Tecnológico, em especial à Marise e ao Sr. Daniel, pelo constante auxílio. A todos os professores e funcionários do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil. À CST, FINEP, CNPq e IBS pelo apoio financeiro na realização dos ensaios e por disponibilizarem condições para realização a esta pesquisa. À CAPES, pelo apoio financeiro com a concessão da bolsa de estudos. Finalmente, a todos aqueles que contribuíram para a conclusão deste trabalho, de forma direta ou indireta, estendo o meu sincero agradecimento.

“Na busca de nossos objetivos não existe sorte.

Existem sim, muito trabalho e dedicação.” (Dirk Wolter)

vii

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS.....................................................................................................xi

LISTA DE QUADROS...............................................................................................xvii

LISTA DE TABELAS..................................................................................................xix

LISTA DE SIGLAS......................................................................................................xx

RESUMO.....................................................................................................................xxii

ABSTRACT................................................................................................................xxiii

1. INTRODUÇÃO....................................................................................................... 1

1.1 JUSTIFICATIVA ................................................................................................... 3

1.2 OBJETIVOS ......................................................................................................... 5

1.3 ALGUNS CENTROS DE REFERÊNCIA E ESTUDOS EM ESCÓRIA DE ACIARIA............ 6

1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO ........................................................................... 7

22.. ESCÓRIA DE ACIARIA ....................................................................................... 9

2.1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 9

2.2 GERAÇÃO DA ESCÓRIA DE ACIARIA LD.............................................................. 9

2.2.1 Transporte, resfriamento e beneficiamento da escória de aciaria ............. 11

2.3 APLICAÇÕES .................................................................................................... 13

2.4 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DAS ESCÓRIAS DE ACIARIA .................................... 17

2.5 CARACTERÍSTICAS MINERALÓGICAS DAS ESCÓRIAS DE ACIARIA...................... 19

2.5.1 Composição química das escórias de aciaria ............................................ 20

2.6 EXPANSIBILIDADE DAS ESCÓRIAS DE ACIARIA ................................................. 22

2.6.1 Efeito do CaO ............................................................................................. 23

2.6.2 Efeito do MgO............................................................................................. 25

2.6.3 Efeito do ferro metálico .............................................................................. 26

2.6.4 Efeito do silicato dicálcico.......................................................................... 28

2.7 CONSIDERAÇÕES SOBRE ESCÓRIA DE ACIARIA ................................................. 28

3. TRATAMENTOS E MÉTODOS DE ESTABILIZAÇÃO DA ESCÓRIA DE

ACIARIA....................................................................................................................... 30

3.1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 30

3.2 ALTERAÇÕES NO PROCESSO DE ESCORIFICAÇÃO .............................................. 30

viii

3.3 TRATAMENTOS DA ESCÓRIA DE ACIARIA LÍQUIDA............................................ 32

3.4 TRATAMENTOS NA ESCÓRIA DE ACIARIA EM ESTADO SÓLIDO........................... 36

3.5 MÉTODOS UTILIZANDO MISTURAS DE ESCÓRIA DE ACIARIA COM OUTROS

MATERIAIS ................................................................................................................... 39

3.6 CONSIDERAÇÕES SOBRE OS TRATAMENTOS E MÉTODOS DE REDUÇÃO DE

EXPANSÃO.................................................................................................................... 40

4. MÉTODOS DE AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE EXPANSÃO DA

ESCÓRIA DE ACIARIA ............................................................................................. 43

4.1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 43

4.2 MÉTODOS DE ENSAIOS ADAPTADOS A PARTIR DO ENSAIO DE COMPACTAÇÃO .. 43

4.2.1 O ensaio da norma JIS A 5015 ................................................................... 44

4.2.2 O ensaio ASTM D 4792 .............................................................................. 45

4.2.3 Adaptação do PTM 130 pelo Departamento de Estradas de Rodagem de

Minas Gerais........................................................................................................... 46

4.3 O ENSAIO DE AGULHAS DE LE CHATELIER – NBR 11582/91............................. 46

4.4 O ENSAIO DE AUTOCLAVE ................................................................................ 47

4.5 O ENSAIO A VAPOR - STEAM TEST ..................................................................... 48

4.6 CONSIDERAÇÕES SOBRE OS MÉTODOS DE AVALIAÇÃO ..................................... 51

5. MATERIAIS, MÉTODOS E PROJETO EXPERIMENTAL.......................... 54

5.1 AMOSTRAGEM ................................................................................................. 54

5.1.1 Amostragem da escória 01.......................................................................... 57

5.1.2 Amostragem da escória 02.......................................................................... 58

5.1.3 Quarteamento das amostras ....................................................................... 59

5.2 TRATAMENTOS DAS ESCÓRIAS DE ACIARIA ...................................................... 59

5.2.1 Escória de aciaria 01.................................................................................. 59

5.2.2 Escória de aciaria 02.................................................................................. 60

5.3 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DA ESCÓRIA DE ACIARIA.......................................... 60

5.3.1 Granulometria............................................................................................. 61

5.3.2 Massa específica ......................................................................................... 61

5.3.3 Absorção ..................................................................................................... 63

5.3.4 Abrasão Los Angeles e esmagamento......................................................... 63

5.3.5 Massa unitária e massa unitária compactada ............................................ 65

ix

5.3.6 Umidade ..................................................................................................67

5.3.7 Análise estatística dos ensaios físicos.......................................................67

5.4 CARACTERIZAÇÃO DA MICROESTRUTURA DA ESCÓRIA DE ACIARIA.................67

5.4.1 Análise química .......................................................................................68

5.4.2 Microscopia eletrônica de varredura (MEV)............................................68

5.4.3 Difração de raios X (DRX).......................................................................69

5.5 AVALIAÇÃO DA EXPANSIBILIDADE ................................................................69

5.5.1 Steam Test – ensaio a vapor.................................................................................69

6. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS .............................. 74

6.1 CARACTERIZAÇÃO FÍSICA DA ESCÓRIA DE ACIARIA ........................................74

6.1.1 Granulometria............................................................................................. 74

6.1.2 Massa específica ......................................................................................... 75

6.1.3 Absorção ..................................................................................................... 81

6.1.4 Abrasão Los Angeles e esmagamento......................................................... 82

6.1.5 Massa unitária e massa unitária compactada............................................ 85

6.1.6 Umidade...................................................................................................... 88

6.1.7 Análise estatística e discussão dos resultados de caracterização física .... 89

6.2 CARACTERIZAÇÃO DA MICROESTRUTURA DA ESCÓRIA DE ACIARIA.................91

6.2.1 Análise química........................................................................................... 91

6.2.2 MEV ............................................................................................................ 92

6.2.3 DRX........................................................................................................... 104

6.2.4 Discussões dos resultados......................................................................... 106

6.3 AVALIAÇÃO DA EXPANSIBILIDADE ..............................................................108

6.3.1 Steam test - ensaio a vapor ...................................................................... 108

6.3.2 Efeito das repetições sobre o ensaio Steam Test ...................................... 119

6.3.3 Comparação dos resultados dos métodos de ensaio PTM 130 e Steam

Test.........................................................................................................................120

x

7. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................. 122

8. RREEFFEERRÊÊNNCCIIAASS BBIIBBLLIIOOGGRRÁÁFFIICCAASS............................................................................................................................ 112277

ANEXO I......................................................................................................................138

ANEXO II.....................................................................................................................142

xi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 – Exemplo de uso inadequado de escória de aciaria LD – “pés de galinha”

(MENDONÇA, 2006)....................................................................................................... 3

Figura 1.2 – Exemplo de uso inadequado de escória de aciaria –fissuração longitudinal

irregular em pátio de estacionamento (MENDONÇA, 2006) .......................................... 3

Figura 2.1 – Fluxograma de produção de usina semi-integrada e integrada (IBS, 2006)

......................................................................................................................................... 10

Figura 2.2 – Detalhe do conversor a oxigênio (CST, 2005). .......................................... 11

Figura 2.3– Transporte da escória para as baias de resfriamento: (a) em vagão (PENA,

2004); (b) em pote carrier (SOUZA; POLESE, 2003). .................................................. 12

Figura 2.4 – Processos de resfriamento da escória: (a) por aspersão de água (PENA,

2004); (b) por jato de água (SOUZA; POLESE, 2003). ................................................. 12

Figura 2.5 – (a) Separação de grandes placas metálicas da escória de aciaria por eletro-

ímã. (b) Planta de britagem e separação magnética e granulométrica da escória de

aciaria (SOUZA; POLESE, 2003). ................................................................................. 13

Figura 2.6 – Exemplos de aplicações de escória de aciaria LD: (a) lastro ferroviário e (b)

proteção de taludes – gabiões (PENA, 2004). ................................................................ 13

Figura 2.7 – Outros exemplos de aplicações de escória de aciaria LD: (a) obra de aterro

e (b) pátio industrial (PENA, 2004). ............................................................................... 14

Figura 2.8 – Seção transversal típica de um pavimento (SENÇO, 1997)....................... 16

Figura 2.9- O MgO em solução sólida (GEISELER; SCHLOSSER, 1988)...................26

Figura 3.1 – Resultados de ensaio de expansibilidade para escória de aciaria LD com e

sem tratamento por adição de sílica e oxigênio (KUEHN et al., 2000).......................... 33

Figura 3.2 – DRX de escória de aciaria resfriada bruscamente (MURPHY et al., 1997).

......................................................................................................................................... 35

Figura 3.3 – DRX de escória de aciaria resfriada lentamente (MURPHY et al., 1997). 35

xii

Figura 3.4 – Exemplo do método de cura de escória de aciaria a vapor sob pressão

atmosférica (MORISHITA et al., 1995). ........................................................................ 38


(MORIKAWA et al., 1998). ........................................................................................... 39

Figura 4.1 - Equipamento para ensaio de expansão em água (JIS A 5015, 1992).......... 45

Figura 4.2 - Agulha de Le Chatelier (COUTINHO, 1973)............................................. 47

Figura 4.3 – Equipamento do Steam Test (MOTZ; GEISELER, 2001) ......................... 49

Figura 4.4 – Curva típica de expansão da escória medida pelo Steam Test. .................. 50

Figura 5.1 – Fluxograma do projeto experimental.......................................................... 54

Figura 5.2 – Mapa de localização das escórias estudadas. ............................................. 55

Figura 5.3 – Seção transversal da pilha de amostragem (SOUZA et al., 2003). ............ 56

Figura 5.4 – Esquema da amostragem em camadas (SOUZA et al., 2003).................... 56

Figura 5.5 – Esquema geral do procedimento de amostragem (SOUZA et al., 2003). .. 57

Figura 5.6 – (a) Formação de cinco montes e (b) coleta de amostra parcial para formar

pilha de homogeização.................................................................................................... 59

Figura 5.7 – Preenchimento do frasco de Chapmam com amostra de escória. .............. 62

Figura 5.8 - Máquina de abrasão Los Angeles, e carga abrasiva e material retirado ao

final das rotações............................................................................................................. 64

Figura 5.9 – Compactação da amostra para realização do ensaio de massa unitária em

estado compactado. ......................................................................................................... 66

Figura 5.10 - (a) Material disposto na estufa para secagem e (b) pesagem do material

seco ................................................................................................................................. 67

Figura 5.11 – Equipamento Steam Test. ......................................................................... 72

Figura 6.1 – Curva granulométrica da Usina 1. .............................................................. 74

Figura 6.2 – Curva granulométrica da Usina 2. .............................................................. 74

xiii

Figura 6.3 - Massa específica aparente seca das amostras de escória de aciaria LD da

Usina 1........................................................................................................................76

Figura 6.4 – Massa específica aparente seca das amostras de escória de aciaria LD da

Usina 2........................................................................................................................76

Figura 6.5 – Massa específica aparente saturada superfície seca das amostras de escória

de aciaria LD da Usina 1. ............................................................................................77

Figura 6.6 – Massa específica aparente saturada superfície seca das amostras de escória

de aciaria LD da Usina 2. ............................................................................................78

Figura 6.7 - Massa específica do agregado miúdo da Usina 1. .....................................79

Figura 6.8 - Massa específica do agregado miúdo da Usina 2. .....................................79

Figura 6.9 – Massa específica das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1. ........80

Figura 6.10 – Massa específica das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2. ......81

Figura 6.11 - Absorção das amostras de escória de aciaria da Usina 1 .........................82

Figura 6.12 - Absorção das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2 ...................82

Figura 6.13 – Abrasão Los Angeles das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1.83

Figura 6.14 – Abrasão Los Angeles das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2.83

Figura 6.15 – Índice de esmagamento das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1.

....................................................................................................................................84

Figura 6.16 - Índice de esmagamento das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2.

....................................................................................................................................85

Figura 6.17 - Massa unitária das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1............86

Figura 6.18 - Massa unitária das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2............86

Figura 6.19 - Massa unitária compactada das amostras de escória de aciaria LD da

Usina 1........................................................................................................................87

Figura 6.20 - Massa unitária compactada das amostras de escória de aciaria LD da

Usina 2.............................................................................................................................88

Figura 6.21 - Umidade das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1. ...................89

xiv

Figura 6.22 - Umidade das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2. ...................89

Figura 6.23 - Microfractografia e diagramas da amostra não tratada da Usina 1...........93

Figura 6.24 - Microfractografia e diagramas da amostra não tratada da Usina 1...........93

Figura 6.25 - Microfractografia e diagrama da amostra não tratada da Usina 1. ...........94


Figura 6.27 - Microfractografia e diagramas da amostra tratada ao tempo por 6 meses da

Usina 1........................................................................................................................95


Usina 1........................................................................................................................95

Figura 6.29 - Microfractografia e diagrama da amostra tratada ao tempo por 6 meses da

Usina 1........................................................................................................................96


Usina 1........................................................................................................................96

Figura 6.31 - Microfractografia e diagrama da amostra tratada ao tempo por 12 meses

da Usina 1. ..................................................................................................................97

Figura 6.32 - Microfractografia e diagramas da amostra tratada ao tempo por 12 meses

da Usina 1. ..................................................................................................................97


da Usina 1. ..................................................................................................................98


da Usina 1. ..................................................................................................................98

Figura 6.35 - Microfractografia e diagrama da amostra tratada ao tempo por 12 meses

da Usina 1. ..................................................................................................................99


Figura 6.37 - Microfractografia e diagramas da amostra não tratada da Usina 2.........100

Figura 6.38 - Microfractografia e diagramas da amostra não tratada da Usina 2.........100

Figura 6.39 - Microfractografia e diagramas da amostra não tratada da Usina 2..........101

xv

Figura 6.40 - Microfractografia e diagrama da amostra tratada ao tempo por molhagem

e aeração por 1 mês da Usina 2..................................................................................101

Figura 6.41 - Microfractografia e diagramas da amostra tratada ao tempo por molhagem






Figura 6.44 - Resultados da expansão acumulada da amostra não tratada da Usina 1,

segundo o método Steam Test, por período de 24 horas .............................................110

Figura 6.45 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada ao tempo, por 6

meses, da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 24 horas ...............110


meses, da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 24 horas ...............111

Figura 6.47 - Resultados da expansão acumulada da amostra não tratada da Usina 2,

segundo o método Steam Test, por período de 24 horas .............................................112


mês, da Usina 2, segundo o método Steam Test, por período de 24 horas...................112


meses, segundo o método Steam Test, por período de 1 dia (SILVA et al., 2006) ......113

Figura 6.50 - Resultados da expansão acumulada da amostra não tratada, da Usina 1,

segundo o método Steam Test, por período de 7 dias .................................................114


meses, da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 7 dias....................115

Figura 6.52 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada, por 12 meses, da

Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 7 dias ...................................115

Figura 6.53 – Potencial de expansão máximo determinado pelo Steam Test, realizado

por 7 dias, das amostras da Usina 1. ..........................................................................116

Figura 6.54 - Resultados da expansão acumulada da amostra não tratada, da Usina 2,

segundo o método Steam Test, por período de 7 dias .................................................117

xvi

Figura 6.55 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada, por 1 mês, da

Usina 2, segundo o método Steam Test, por período de 7 dias ...................................117

Figura 6.56 – Potencial de expansão máximo determinado pelo Steam Test, realizado

por 7 dias, das amostras da Usina 2. ..........................................................................118

xvii

LISTA DE QUADROS

Quadro 1.1 – Alguns centros de referência com suas respectivas linhas de pesquisas na

área de escória de aciaria. ................................................................................................. 6

Quadro 2.1– Principais aplicações de escória de aciaria ................................................ 15

Quadro 2.2 – Camadas de um pavimento (SENÇO, 1997). ........................................... 16

Quadro 2.3 – Comparação entre escória de aciaria, basalto e granito (GEISELER,

1996). .............................................................................................................................. 17

Quadro 2.4 - Limites específicos de aceitação de escória de aciaria a ser utilizada em

camadas de pavimentos (DNER-EM 262, 1994)............................................................ 18

Quadro 2.5 - Composição química da escória de aciaria LD (IBS, 1999)...................... 21

Quadro 2.6 - Composição química da escória de aciaria LD. ....................................... 21

Quadro 2.7 - Características das espécies químicas isoladas antes e após a hidratação

(WEAST, 1971) .............................................................................................................. 22

Quadro 2.8 – Formas do silicato dicálcico (MASUERO et al., 2002)............................ 28

Quadro 3.1 - Composição química de uma escória de aciaria LD normal e de outra

tratada com CAMFlux (GEORGE; SORRENTINO, 1980)........................................... 31

Quadro 3.2 – Tratamentos e métodos de redução do potencial expansivo das escória de

aciaria. ............................................................................................................................. 41

Quadro 4.1 - Valores de expansão máxima para escória de aciaria para pavimentação

(BS EN 13043, 2002; BS EN 13242, 2002).................................................................... 51

Quadro 4.2 – Principais métodos de avaliação do potencial de expansão.......................52

Quadro 4.3 – Pontos fortes e fracos dos principais métodos de avaliação do potencial de

expansão..........................................................................................................................53

Quadro 5.1 – Ensaios de caracterização física utilizados, com as respectivas normas. . 60

Quadro 5.2 – Graduação e carga abrasiva para o ensaio Los Angeles (adaptado de NBR

NM51, 2000)................................................................................................................... 64

Quadro 5.3 – Proporção de massa por granulometria (EN 1744-1:1998) ...................... 70

xviii

Quadro 6.1 – Módulo de finura e dimensão máxima característica das amostras. ......... 75

Quadro 6.2 – Massa específica aparente seca (NBR 9937/87) ....................................... 75

Quadro 6.3 – Massa específica aparente saturada superfície seca (NBR 9337/87)........ 77

Quadro 6.4 – Massa específica real do agregado (NBR 9776/87, NBR 9937/87 e

NM248/01)...................................................................................................................... 80

Quadro 6.5 – Índice de absorção (NBR 9937/87)........................................................... 81

Quadro 6.6 – Abrasão Los Angeles das amostras (NBR NM 51/00) ............................. 83

Quadro 6.7 – Resultados das análises químicas das amostras de escória de aciaria LD

não tratadas e tratadas ..................................................................................................... 92

Quadro 6.8 – Minerais observados na MEV nas amostras da Usina 1. ........................ 103

Quadro 6.9 – Minerais observados na MEV nas amostras da Usina 2. ........................ 104

Quadro 6.10- Compostos presentes nas amostras de escória de aciaria LD não tratadas e

tratadas identificados por DRX..................................................................................... 104

Quadro 6.11- Minerais detectados por MEV/EDS e DRX nas amostras de escória de

aciaria LD não tratadas e tratadas ................................................................................. 107

Quadro 6.12 – Porosidade aparente média das amostras de escória de aciaria

compactadas.................................................................................................................. 109

Quadro 6.13 – Comparação entre os resultados dos ensaios PTM 130 e Steam Test...120

xix

LISTA DE TABELAS

Tabela 6.1 – Massa específica real do agregado miúdo (kg/dm3) (NBR 9776/87)........ 78

Tabela 6.2 – Índice de esmagamento das amostras (%) (NBR 9938/87) ....................... 84

Tabela 6.3 – Massa unitária das amostras (kg/dm³) (NBR 7251/82).............................. 85

Tabela 6.4 - Massa Unitária Compactada (kg/dm³) (NBR 7810/83).............................. 87

Tabela 6.5 – Teor de umidade......................................................................................... 88

Tabela 6.6 – Análise estatística dos resultados do Steam Test, realizado por período de

24 horas, das amostras da Usina 1. ............................................................................... 111

Tabela 6.7 – Análise estatística dos resultados do Steam Test, realizado por período de

24 horas, das amostras da Usina 2. ............................................................................... 113

Tabela 6.8 – Análise estatística dos resultados do Steam Test, realizado por período de 7

dias, das amostras da Usina 1........................................................................................116

xx

LISTA DE SIGLAS

ABCP - Associação Brasileira de Cimento Portland

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas

AGSPAVI – Projeto Avaliação da expansibilidade e das tecnologias de tratamento

visando o desenvolvimento de mercado das escórias de aciaria para fins de

pavimentação

ASA – Australian Slag Association

ASTM – American Society for Testing and Materials

BOF – Blast Oxygen Furnace

BS – British Standard

C2F – Ferrita de cálcio

C2S – Silicato dicálcico

C3S – Silicato tricálcico

C4AF – Ferro-aluminato de cálcio

CBR – Califórnia Bearing Ratio

CNPq – Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico

CSN – Companhia Siderúrgica Nacional

CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão

CTPL – Centre Technique et de Promotion des Laitiers Siderurgiques

DER – Departamento de Estradas de Rodagem

DNER – Departamento Nacional de Estradas de Rodagem

DNIT – Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes

DRX – Difração de Raios-X

EAF – Eletric Arc Furnace

EDS - Energy dispersive spectrometry

EM – Especificação de Materiais

ES – Espírito Santo

FEhS – Institut für Baustoff-Forschung e.V.

FINEP – Financiadora de Estudos e Projetos

IBS – Instituto Brasileiro de Siderurgia

IPR – Instituto de Pesquisas Rodoviárias

JIS – Japanese Industrial Standard

xxi

LD – Linz e Donawitz

LEMAC – Laboratório de Ensaios de Materiais de Construção Civil

ME – Método de Ensaio

MEV – Microscopia eletrônica de varredura

MG – Minas Gerais

NBR – Norma Brasileira Registrada

NEXES – Núcleo de Excelência em Escórias Siderúrgicas

NM – Norma Mercosul

NORIE – Núcleo Orientado a Reciclagem e Inovação da Edificação

NSA – National Slag Association

NT – Não tratada

PAVIAMB – Projeto Avaliação do custo, avaliação ambiental e avaliação da resistência

e durabilidade do pavimento construído com escória de aciaria envelhecida

PCC – Departamento de Engenharia de Construção Civil

prEN – European Standard Project

PRO – Procedimento

PSV – Polished Stone Value

PTM – Pennsylvania Testing Method

T1 – Tratada por 1 mês

T12 – Tratada por 12 meses

T6 – Tratada por 6 meses

UFES – Universidade Federal do Espírito Santo

UFRGS – Universidade Federal do Rio Grande do Sul

xxii


Gisele Lopes Carreiro Rodrigues1

RESUMO

A preocupação com a disposição de resíduos e a preservação ambiental vem crescendo mundialmente. Sabe-se que os resíduos siderúrgicos, devido ao grande volume gerado, são uma das principais fontes de degradação ambiental. Alguns desses resíduos já possuem um destino nobre na construção civil, como é o caso da escória de alto forno, usada na fabricação do cimento. Já o emprego da escória de aciaria não está tecnicamente consolidado no Brasil. Agregar valor a este co-produto industrial, a partir da caracterização física e microestrutural e medição do seu potencial expansivo, é um dos objetivos deste trabalho.

A escória de aciaria possui características físicas e mecânicas tão boas quanto às das rochas graníticas, porém sua expansibilidade dificulta a sua utilização. Existem tratamentos, aplicados à escória de aciaria, que podem acelerar as reações de hidratação, minimizando a expansibilidade em serviço. A avaliação deste potencial de expansão da escória de aciaria é essencial para determinar a efetividade do tratamento realizado.

O objetivo deste trabalho é caracterizar, física e microestruturalmente, e avaliar o potencial de expansão de escórias de aciaria LD não tratada e tratadas, ao tempo e ao tempo com molhagem e aeração.

Na caracterização física são realizados os ensaios de granulometria, massa específica, absorção, abrasão Los Angeles, esmagamento, massa unitária, massa unitária compactada e umidade. A caracterização da microestrutura da escória de aciaria é feita por meio de análise química, microscopia eletrônica de varredura e difração de raios X. O ensaio de potencial de expansão adotado é o método do Steam Test, ou ensaio a vapor.

De maneira geral, os resultados da caracterização física das escórias de aciaria LD se mostram favoráveis à sua utilização em pavimentação. A caracterização microestrutural identificou todos os compostos volumetricamente instáveis nas amostras de escória de aciaria estudadas.

Os resultados do Steam Test mostram que nenhum dos tratamentos analisados, ao tempo e ao tempo com molhagem e aeração, é eficiente, adotando-se o limite de 5% de aceitação e período de realização do ensaio de 7 dias.

Palavras-chave: escória de aciaria LD, expansibilidade, tratamentos, Steam Test, caracterização física e microestrutural.

1 Eng. Civil, mestranda do Programa de Pós Graduação em Engenharia Civil da UFES; e-mail: [email protected].

xxiii

CHARACTERIZATION AND EVALUATION OF THE EXPANSIBILITY OF LD STEEL SLAGS NON TREATED AND

TREATED

Gisele Lopes Carreiro Rodrigues2

ABSTRACT

The concern over the disposal of residues and the environmental is increasing in the world. It is well known that great volume of residues, generated from the siderurgical residues, are one of the main sources of ambient degradation. Some of these residues have a good destination in the civil construction, such as the blast furnace slag, used in cements’ manufacture. On the other hand, the use of the steel slag is not technically consolidated in Brazil. To increase value to this industrial co-product, from the physical and microstructural characterization and measurement of its expansive potential points of vue, is one of the objectives of this work.

The steel slag has physical and mechanical characteristics similar to those of natural granitic rocks, however its expansibility render it difficult be used. There are some treatments, which can be applied to the steel slag, for accelerating the hydration reactions and reducing the volumetric expansion of the steel slag during service life. The evaluation of this potential expansibility of the steel slag is essential to determine the effectiveness of the treatment.

The objective of this work is to characterize, physically and microstructurally as well as to evaluate the potential expansion of the LD steel slag non-treated and treated (submitted to weathering and weathering with water and aeration).

The physical characterization consists on determining granulometry, bulk density, absorption, Los Angeles abrasion, crushing, unitary mass, compact unitary mass and humidity. For microstructure characterization, the steel slag was submitted to chemical analyses, scanning electron microscopy and X-rays diffraction. The steam test procedure was used to evaluate the potential of expansion.

The results of the physical characterization indicate a favourable use of the tested LD steel slags in pavements. Trough the microstructural characterization of the steel slag samples, it was possible to identify volumetric unstable compounds.

The results of the Steam Test show that none of the analyzed treatments, by weathering or by weathering with water and aeration, is efficient, if a limit of 5% of acceptance and a period of accomplishment of the assay of 7 days are adopted.

Keywords: LD steel slag, expansibility, treatments, Steam Test, physical and microstructural.

2 Civil Engineer, M. Sc. of PGEC/UFES; e-mail: [email protected].

Cap. 1 - Introdução

1

1. INTRODUÇÃO

A geração de resíduos é um problema ambiental mundial. A indústria siderúrgica é, sem

dúvida, um dos contribuintes deste impacto ambiental, pois além de movimentar um

volume muito grande de matéria-prima e energia, gera uma enorme quantidade de

resíduos sólidos, entre eles, a escória de alto-forno e a escória de aciaria. No Brasil, as

24 usinas siderúrgicas produzem cerca de 31 milhões de tonelada de aço bruto por ano

(IBS, 2007), deste total são geradas, aproximadamente, 8,8 milhões de toneladas de

escória de alto-forno e 3,7 milhões de toneladas de escórias de aciaria1.

Há uma grande preocupação com a disposição destes resíduos em aterros, tanto por

parte das siderurgias como por parte da sociedade. O estoque e o manejo destes resíduos

ocupam cada vez mais área física, além de ter alto custo envolvido e inconvenientes

ecológicos. Então, surge a necessidade de pesquisar e conhecer melhor esses resíduos,

suas características e seu desempenho, nas aplicações delineadas.

A construção civil tem um grande potencial de consumo desses co-produtos2

siderúrgicos, preservando, desta forma, alguns recursos naturais e firmando a idéia de

desenvolvimento sustentável. A escória de alto-forno já é bastante utilizada como

adição em cimentos e a escória de aciaria vem sendo aplicada na construção civil como

lastro ferroviário, base para estradas, entre outros.

Na Europa, e na maioria dos outros continentes, existe uma grande demanda por

agregados, principalmente para indústria da construção civil, em pavimentações e

estruturas de concreto e na engenharia hidráulica, para contenção de bancos de rios. A

Comunidade Européia declarou, no último estatuto, a necessidade de preservação de

recursos naturais, usando co-produtos industriais e de aumento da taxa de utilização

desses co-produtos com propriedades técnicas e ambientais adequados à sua aplicação

(MOTZ; GEISELER, 2001).

A escória de aciaria vem sendo utilizada com sucesso em diferentes países da Europa,

como material de pavimentação, como base e sub-base e em misturas betuminosas,

devido a suas excelentes propriedades técnicas. Há mais de 25 anos, pavimentações que

1 Considera-se a geração de 270kg escória de alto-forno por tonelada de ferro gusa produzido e 120kg de escória de aciaria por tonelada de aço produzido (CASELATO, 2004). 2 Neste trabalho, conceitua-se co-produto como material que deixou de ser classificado como resíduo por ter utilização técnica, econômica e ambiental viável. Sub-produto é o co-produto que já possui valorização comercial.


2

utilizaram escória de aciaria estão sendo monitoradas, para confirmar suas propriedades

(MOTZ; GEISELER, 2001).

Na Europa, cerca de 85% das escórias de aciaria LD são aproveitadas; destas, 45% na

engenharia civil, 17% na metalurgia, 16% como fertilizante e 10% como aterro

(GEISELER, 1996). Em 1998, a Alemanha utilizou cerca de 97% das escórias de aciaria

produzidas em construção de estradas (camadas superficiais, base e sub-base de

pavimentos com alto tráfego), aterros e em estruturas hidráulicas (MOTZ; GEISELER,

2001). Na América do Norte, grande parte das escórias siderúrgicas é utilizada como

agregado, em diferentes aplicações (SHI; QIAN, 2000).

A escória de aciaria, obtida da transformação do ferro gusa líquido em aço, possui

características físicas e mecânicas iguais ou superiores aos agregados naturais

(BALTAZAR, 2001). Porém, seu potencial expansivo e a falta de normalização

nacional para detectar sua estabilização têm prejudicado sua durabilidade e seu

desempenho.

O efeito dessas reações expansivas da escória de aciaria ocorre envolvendo certos

compostos presentes na escória, gerando tensões internas, que originam trincas e

resultam até na pulverização do material, numa expansão destrutiva. Dentre estes

compostos volumetricamente instáveis, o CaO e o MgO são os mais importantes e os

maiores responsáveis pela desintegração e enfraquecimento por diferença de volume

molar nas suas reações. Outro elemento que também contribui para expansão da escória

é o ferro metálico (ALEXANDRE et al., s.d; GEISELER; SCHLOSSER, 1988;

GEISELER; MOTZ, 1998; GUMIERI et al., 2000; MACHADO, 2000; SAHAY et al.,

2000; ÂNGULO et al., 2001).

Pesquisas mostram que tratamentos da escória de aciaria minimizam o efeito expansivo

desses elementos e asseguram sua adequada qualidade no respectivo campo de atuação

(GEISELER, 1996). Portanto, o tratamento para reduzir o potencial expansivo da

escória de aciaria, quando realizado de forma adequada e com critérios técnicos bem

definidos, viabiliza sua aplicação na pavimentação rodoviária.

O objetivo desta pesquisa é avaliar características das escórias de aciaria LD brasileiras

não tratadas e tratadas, ao tempo e ao tempo com molhagem e aeração, por meio da

caracterização física e microestrutural e, da avaliação do seu potencial de expansão,

visando sua utilização em bases e sub-bases de pavimentos.


3

1.1 Justificativa

A falta de conhecimento das características das escórias de aciaria, principalmente do

seu potencial expansivo, e de critérios técnicos para detectar sua estabilização, aliada a

práticas inadequadas de aplicação, têm causado problemas de desempenho,

contribuindo para o aumento da discriminação e da desconfiança da sociedade quanto à

utilização das escórias de aciaria (PENA, 2004). Muitas vezes são utilizadas escórias de

aciaria sem qualquer tipo de tratamento, ou mesmo com tratamento inadequado, em

bases e sub-bases, causando vários tipos de manifestações patológicas no pavimento,

como fissuras radiais concêntricas, em forma de “pés-de-galinha” (Figura 1.1), e

fissuração longitudinal irregular (Figura 1.2) (GONTIJO, 2006).

Figura 1.1 – Exemplo de uso inadequado de escória de aciaria LD – “pés de galinha”

(MENDONÇA, 2006).

Figura 1.2 – Exemplo de uso inadequado de escória de aciaria –fissuração longitudinal

irregular em pátio de estacionamento (MENDONÇA, 2006)


4

Dessa forma, para contornar o problema da utilização inadequada de escórias de aciaria,

faz-se necessária a definição de critérios técnicos e ensaios, para aceitação de lotes de

escória, que foram submetidos a algum tipo de tratamento, para garantir a qualidade de

aplicação do material.

Os tratamentos de redução da expansão das escórias de aciaria LD, utilizados no Brasil,

são ao tempo e ao tempo com molhagem e aeração diária. Já nas escórias de aciaria

EAF brasileiras, somente é realizado o tratamento ao tempo. Considerando que, as

escórias de aciaria mais geradas no Brasil são as LD, opta-se por estudar este tipo de

escória.

Para avaliar o potencial de expansão das escórias de aciaria, foi desenvolvido, na

Alemanha, um método, denominado Steam Test, que utiliza vapor d’água, para percolar

a amostra de escória de aciaria, tornando o ensaio rápido e eficiente. Este método é

normalizado na Europa (parte da norma prEN 1744-1/92 – Testes para propriedades

químicas de agregados – análises químicas) e tem sido usado como critério de aceitação

de escórias de aciaria para pavimentação, em diversos países europeus.

No Brasil, o método utilizado é uma adaptação feita pelo Departamento de Estradas de

Rodagem de Minas Gerais do PTM-130/78. Este método é citado na norma rodoviária

brasileira, DNER-EM 262/94, e específica a utilização de escória de aciaria para

pavimentos rodoviários. Neste ensaio, o corpo-de-prova compactado permanece 14 dias

numa estufa, sendo durante os primeiros 7 dias totalmente submerso, e os outros 7 dias

apenas saturado com água.

Considerando que, Oliveira (2006) avaliou a expansibilidade das escórias de aciaria LD

estudadas pelo método PTM 130/78 adaptado pelo DER/MG, faz-se necessário,

investigar o método de determinação do potencial de expansão Steam Test em escórias

de aciaria brasileiras, com o intuito de comparar os resultados desses métodos.

Neste contexto, esta pesquisa tem por objetivo estudar, experimentalmente, as

características físicas e microestruturais e o potencial de expansão de escórias de aciaria

LD não tratadas e tratadas, pelo método Steam Test.

Este estudo faz parte de projetos multidisciplinares que têm por objetivo o

desenvolvimento de mercado das escórias de aciaria, para fins de pavimentação. Esses

projetos contam com a participação de pesquisadores de diversas áreas reunidos no

NEXES (Núcleo de Excelência em Escórias Siderúrgicas). Um dos projetos é


5

denominado AGSPAVI (Avaliação da expansibilidade e das tecnologias de tratamento

visando o desenvolvimento de mercado das escórias de aciaria para fins de

pavimentação), resultado de um convênio firmado entre o IBS (Instituto Brasileiro da

Siderurgia), a FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos) e a UFES (Universidade

Federal do Espírito Santo). Já o outro, projeto PAVIAMB (Avaliação do custo,

avaliação ambiental e avaliação da resistência e durabilidade do pavimento construído

com escória de aciaria envelhecida), é resultado de convênio firmado entre CST

(Companhia Siderúrgica de Tubarão), FINEP (Financiadora de Estudos e Projetos) e

UFES (Universidade Federal do Espírito Santo).

1.2 Objetivos

Este trabalho tem como objetivo geral caracterizar as escórias de aciaria LD não

tratadas e tratadas, ao tempo e ao tempo com molhagem e aeração, e avaliar o potencial

de expansão, segundo o método Steam Test..

Os objetivos específicos desta pesquisa são:

realização de revisão bibliográfica sobre escória de aciaria, suas características

físicas e microestruturais, tratamentos para redução da sua expansibilidade e

métodos para determinação do seu potencial expansivo;

estudar tecnologia de viabilização, realização e avaliação do potencial de

expansão das escórias de aciaria LD, pelo ensaio a vapor, Steam Test, de acordo

com a norma européia EN 1744-1:1998;

implantar laboratório para realização do ensaio a vapor, Steam Test, no LEMAC

(Laboratório de Ensaios de Materiais de Construção) da UFES (Universidade

Federal do Espírito Santo), já que não há outros equipamentos no Brasil;

confirmar a influência do teor de óxido de magnésio no tempo de realização do

ensaio Steam Test;

realizar ensaios de caracterização física, caracterização microestrutural e

potencial de expansão nas escórias de aciaria LD.


6

1.3 Alguns centros de referência e estudos em escória de aciaria

Existem algumas universidades brasileiras que desenvolvem estudos na área de

reciclagem de resíduos siderúrgicos, dentre eles a escória de aciaria. Na Universidade de

São Paulo, o PCC (Departamento de Engenharia de Construção Civil), na Universidade

Federal do Rio Grande do Sul, o Norie (Núcleo Orientado a Reciclagem e Inovação da

Edificação) e, na Universidade Federal do Espírito Santo, o NEXES (Núcleo de

Excelência em Escórias Siderúrgicas) são alguns destes centros de pesquisa.

No exterior, o NSA (National Slag Association) nos Estados Unidos, A FEhS, na

Alemanha, o CTPL (Centre Technique et de Promotion des Laitiers Siderurgiques ), na

França, a Euroslag, na Europa, a Nippon Slag Association, no Japão e a ASA

(Australian Slag Association), na Austrália, são algumas das associações e institutos que

pesquisam escória de aciaria.

O Quadro 1.1 mostra as linhas de pesquisas de alguns centros de referência que estudam

escória de aciaria.

Quadro 1.1 – Alguns centros de referência com suas respectivas linhas de pesquisas na área de escória de aciaria.

Local Centro de referência Linha de pesquisa PCC USP

- Reciclagem de resíduos

Norie UFRGS

- Desenvolvimento, utilização e análise do comportamento de novos materiais, com ênfase em aspectos

ambientais de uso de resíduos

IPR DNIT CST

- Construção de pista de testes, para verificação do comportamento ambiental e estrutural, com base construída

em três segmentos: brita, 100% de escória de aciaria LD com redução de expansão e 80% de escória de aciaria LD com

redução de expansão e 20% de argila

Brasil

NEXES UFES

- Avaliação da expansibilidade e das tecnologias de tratamento das escórias de aciaria

- Avaliação ambiental, de custo, de resistência e durabilidade do pavimento construído com escória de aciaria

- Avaliação de três métodos de ensaio para determinação do potencial de expansão de escórias de aciaria para uso em

pavimentação - Estudo experimental de compactação e expansão de escória

de aciaria LD para uso em pavimentação - Avaliação da expansibilidade da escória de aciaria LD curada a vapor para utilização em peças de concreto para

pavimentação - Avaliação do potencial expansivo de misturas de escórias de

aciaria LD com escórias de alto-forno - Avaliação de metais e não-metais de escórias de aciaria

brasileiras


7

Quadro 1.1 - Alguns centros de referência com suas respectivas linhas de pesquisas na área de escória de aciaria - continuação

Local Centro de referência Linha de pesquisa

Estados Unidos

NSA Weast Virginia

University

- Uso de escória de aciaria como agregado na construção civil - Utilização de escória de aciaria para correção de acidez no

solo

Alemanha FEhS

- Utilização de escória de aciaria como agregado para concreto

- Estabilização volumétrica de escórias de aciaria - Misturas de escórias de alto-forno e de aciaria

- Escória de aciaria em ambientes aquáticos - Influência de agregados naturais e siderúrgicos em solos,

água, fauna e flora

Europa Euroslag - Produção, processo e utilização de escórias de aciaria

- Escórias e as questões ambientais

Japão Nippon Slag Association

- Melhoria da qualidade e tecnologias de aplicação de escórias de aciaria

Austrália ASA - Utilização de escória de aciaria em pavimentações

- Utilização de escória de aciaria LD em asfaltos e superfícies betuminosas

Inglaterra University of Leeds

University of Birmingham

- Utilização de escória de aciaria como agregado em misturas betuminosas

- Uso de escória de aciaria para estabilização de solos ácidos

Finlândia University of Oulu - Utilização de escória de aciaria em pavimentação

- Misturas de escória de aciaria LD com escória de alto-forno

França CTPL - Novas aplicações para escória de aciaria

1.4 Estrutura da dissertação

Para atingir o objetivo da pesquisa, foi realizada uma revisão bibliográfica com base em

artigos, periódicos, normas técnicas, anais de congressos, livros e pesquisas na Internet.

Com base nesta revisão, foram elaborados o capítulo 2, que expõe o processo de

geração da escória de aciaria e suas principais características e aplicações, o capítulo 3,

sobre tratamentos e métodos de estabilização da escória de aciaria, e o capítulo 4, que

descreve os métodos de avaliação do potencial de expansão das escórias de aciaria.

No capítulo 5 são apresentados os materiais, métodos e o projeto experimental. Esse

capítulo descreve a geração das escórias de aciaria utilizadas, os respectivos

tratamentos, a amostragem, a preparação das amostras e a descrição dos ensaios

realizados neste estudo.

No capítulo 6, os resultados, de caracterização física e microestrutural e de avaliação do

potencial expansivo das escórias de aciaria, são apresentados e discutidos.


8

O capitulo 7 apresenta as conclusões desta pesquisa e sugestões para futuros trabalhos e

o capítulo 8 lista as referências bibliográficas utilizadas neste trabalho.

Cap. 2 - Escória de Aciaria

9

22.. ESCÓRIA DE ACIARIA

2.1 Introdução

A escória de aciaria, co-produto siderúrgico, é obtida na etapa de redução do ferro, seja

na forma de gusa líquido ou na forma de ferro esponja, e possui características físicas e

mecânicas tão boas quanto as das rochas graníticas. Porém, a escória possui um alto

potencial expansivo, que limita sua utilização. Com o intuito de reduzir o efeito dessas

reações expansivas, frente à sua utilização, foram desenvolvidos tratamentos que,

aplicados à escória de aciaria, viabilizam seu uso.

Este item tem por objetivo expor o processo de geração da escória de aciaria LD, suas

principais características e aplicações. Será discutido o caminho da escória de aciaria

desde a sua geração até a estocagem, serão exemplificadas algumas aplicações que

podem ser dadas à escória de aciaria. Também serão abordadas, neste capítulo, as

características físicas e mineralógicas da escória de aciaria. Para melhor compreensão

da expansibilidade da escória de aciaria, este capítulo definirá os efeitos dos principais

compostos volumetricamente instáveis contidos na escória.

2.2 Geração da escória de aciaria LD

As usinas siderúrgicas atuais podem ser divididas em dois grandes grupos: usinas

integradas e usinas semi-integradas. Usina integrada é aquela em que o aço é obtido a

partir do ferro primário, isto é, a matéria-prima é o minério de ferro, que é transformado

em ferro na própria usina, nos altos-fornos. Já a usina semi-integrada é aquela cujo aço

é obtido a partir do ferro secundário, ou seja, a matéria-prima é a sucata do aço, não

havendo necessidade da etapa de redução do minério de ferro (Figura 2.1) (GENTILE;

MOURÃO, 2006).


10

Figura 2.1 – Fluxograma de produção de usina semi-integrada e integrada (IBS, 2006)

Em usinas integradas, o minério de ferro é reduzido a ferro metálico, nos alto-fornos. O

alto-forno é um equipamento que recebe sinter de minério de ferro, coque e ar aquecido,

e, produz: ferro gusa líquido, escória, denominada de alto-forno, e um gás. O ferro gusa,

antes de ir para a aciaria, sofre pré-tratamentos específicos, como de dissiliciação,

desfosforação e dessulfuração, para minimizar o efeito do Si, do P e do S (GENTILE;

MOURÃO, 2006). Estes pré-tratamentos geram escórias que provavelmente são

misturadas às escórias de aciaria.

A aciaria é o setor da usina onde é realizado refino primário do ferro gusa líquido,

obtendo-se o aço. O processo mais utilizado nas usinas integradas é a conversão do gusa

no processo LD (LD – Linz-Donawitz ou BOF – Blast Oxygen Furnace) (GENTILE;

MOURÃO, 2006). No processo de fabricação do aço LD, adiciona-se ao forno

primeiramente a sucata, depois, o ferro gusa líquido e, em seguida, é lançado um jato de

oxigênio gasoso a alta velocidade, acima da velocidade do som (Figura 2.2) (ARAÚJO,

1997; GENTILE; MOURÃO, 2006). Depois de fundido o metal, no conversor, são

adicionadas cal virgem calcítica e dolomítica. Para a eliminação de elementos

indesejáveis no aço, como carbono, silício e fósforo são usados oxigênio e cal calcítica

e, para proteção do revestimento refratário do forno é utilizada a cal dolomítica.


11

Finalmente, o aço e a escória de aciaria LD são gerados. Como o aço possui densidade

duas vezes maior que a escória líquida, eles ficam separados (MASUERO et al., 2004).

Figura 2.2 – Detalhe do conversor a oxigênio (CST, 2005).

A escória de aciaria, que é mais leve, flutua sobre o aço liquido e é escoada e conduzida

às baias de resfriamento. Em algumas siderúrgicas, há planta de beneficiamento, em que

a escória é britada e separada granulometricamente, além de realizada a separação

metálica.

Depois da aciaria, o aço segue para o refino secundário, onde também é gerada escória

e, provavelmente, também é misturada à escória de aciaria.

Nas usinas semi-integradas, há uma redução direta do ferro, em que, a redução do

minério de ferro a ferro metálico é efetuada sem que ocorra, em nenhuma fase do

processo, a fusão da carga do reator. Dessa forma, o produto metálico é obtido na fase

sólida, chamado ferro esponja. Em geral o ferro esponja é usado em fornos elétricos

(EAF – Eletric Arc Furnace), para obtenção do aço.

Estes dois tipos de usinas, integradas e semi-integradas, geram escórias de aciaria

distintas, escória de aciaria LD e escória de aciaria EAF. Este trabalho se refere à

escória de aciaria LD.

2.2.1 Transporte, resfriamento e beneficiamento da escória de aciaria

A escória líquida, ou parcialmente solidificada, é conduzida, através de vagões ou potes

carrier, para os pátios de resfriamento, lançada em baias (Figura 2.3) e resfriada. Este


12

resfriamento pode ser por aspersão de água (Figura 2.4 a), por jatos de água (Figura 2.4

b) ou ao ar.

(a)

(b)

Figura 2.3– Transporte da escória para as baias de resfriamento: (a) em vagão (PENA, 2004); (b) em pote carrier (SOUZA; POLESE, 2003).

(a) (b)

Figura 2.4 – Processos de resfriamento da escória: (a) por aspersão de água (PENA, 2004); (b) por jato de água (SOUZA; POLESE, 2003).

Em seguida, é feita a fragmentação da escória que ocorre com a ajuda de um guindaste.

Nesta etapa é também realizada a separação de grandes placas metálicas, usando um

eletro-imã (Figura 2.5 a), sendo que, parte destes metais voltam para o processo de

fabricação do aço, como sucata. Na próxima etapa, a escória vai para uma planta de

beneficiamento (Figura 2.5 b), onde é britada, separada granulometricamente e feita

nova separação metálica. Este material metálico pode ser reutilizado no processo, como

sucata, ou pode ser vendido para diversos fins. Nem todas as siderúrgicas possuem

plantas de beneficiamento.


13

(a) (b)

Figura 2.5 – (a) Separação de grandes placas metálicas da escória de aciaria por eletro-ímã. (b) Planta de britagem e separação magnética e granulométrica da escória de

aciaria (SOUZA; POLESE, 2003).

2.3 Aplicações

As escórias de aciaria são muito utilizadas na engenharia civil, em lastros ferroviários

(Figura 2.6 a), na produção de revestimento asfáltico (em conjunto com a escória de

alto-forno), na produção de drenos, canaletas e pavimentos pré-moldados de concreto,

na proteção de taludes (Figura 2.6 b), na construção de estacionamentos, aterros (Figura

2.7 a), pátios industriais, como base e sub-base de pavimentações (Figura 2.7 b), em

pavimentos de estradas vicinais e como fertilizantes agrícolas.

(a) (b)

Figura 2.6 – Exemplos de aplicações de escória de aciaria LD: (a) lastro ferroviário e (b) proteção de taludes – gabiões (PENA, 2004).


14

(a) (b)

Figura 2.7 – Outros exemplos de aplicações de escória de aciaria LD: (a) obra de aterro e (b) pátio industrial (PENA, 2004).

Outras aplicações da escória de aciaria podem ser identificadas, como, por exemplo,

sendo fonte de ferro na produção do cimento Portland férrico, em virtude do seu alto

teor de ferro (GEYER et al., 1996). Na China, há mais de duas décadas é usado um

cimento especial composto de escória de aciaria LD, escória de alto-forno, clínker de

cimento Portland, gesso e aditivos. Este cimento de escória possui boa durabilidade

comparada com cimento Portland comum (DONGXUE et al., 1997).

Na Alemanha são geradas 5,61 milhões de toneladas de escória e, deste total, 70% são

aplicados na construção civil, em pavimentações, aterros e estruturas hidráulicas, 12,6%

são reciclados, 6% são usados como fertilizante e, apenas, 11,4% vão para um depósito

final (MERKEL, 2000).

No Brasil, existem alguns casos de sucesso na utilização de escória de aciaria em

pavimentação. Um exemplo, é um trecho da BR-101 norte, nas proximidades do

aeroporto de Vitória – ES. Porém, também existem casos de aplicações mal sucedidas,

como o estacionamento do Vitória Apart Hospital, em Vitória-ES. A causa destas

aplicações mal sucedidas é a falta de orientação adequada e os critérios técnicos na

utilização de escória de aciaria (PENA, 2004).

O Quadro 2.1 apresenta algumas das aplicações da escória de aciaria com suas

vantagens e limitações.


15

Quadro 2.1– Principais aplicações de escória de aciaria*

Aplicação Vantagens da escória Limitações uso da escória

Agregado para

pavimentação

- Maior durabilidade e dureza;

- Melhor resistência à derrapagem (para utilização em

camada asfáltica);

- Maior massa unitária;

- Possibilidade de execução de camadas mais finas

(5%);

- Maior resistência ao desgaste;

- Maior capacidade de sustentar altas cargas;

- Melhor forma dos grãos;

- Melhor consistência e adesividade (misturas

asfálticas);

- Alta resistência à abrasão e ao polimento.

- Potencial de expansão**;

- Maior possibilidade de formação de

tufa***;

- Elevada fissuração e lixiviação

superficial.

Lastro para

ferrovias

- Maior resistência ao desgaste e à abrasão;

- Massa específica relativamente alta;

- Melhor comportamento do lastro, quanto ao

movimento lateral;

- Melhor ajustamento dos dormentes;

- Melhor intertravamento entre os grãos, devido à sua

rugosidade;

- Estrutura vesicular proporciona

melhor drenagem.

- Não divulgado.

Contenção e

estabilização de

encostas

- Massa específica relativamente alta;

- Melhor drenagem;

- Cimentação natural propicia comportamento

estrutural semelhante ao de estruturas rígidas.

- Não divulgado.

Corretivo de Solos

- Alto teor calcário;

- Liberação lenta de CaO;

- Teor de P2O5 solúvel, aumentando o crescimento do

vegetal.

- Presença de álcalis e chumbo;

- Maior custo de moagem.

* Alexandre et al. (s.d.); Oseki (s.d.); Alexandre e Raguin (1984); Anderson (1984); Emery (1984); Hirano (1984); Mass (1984); Ledezma et al. (1992); Afrani et al. (1995); Farrand e Emery (1995); Motz e Geiseler (1998); Little e Setepla (1999); Gumieri (2000); Merkel (2000); Thomas (2000); Rex (2000); Robinson (2000); Sahay et al. (2000); Geyer (2001); Motz e Geiseler (2001); Côrrea et al. (2002); Sbrighi e Battagin (2002); Beshr et al. (2003); Maslehuddin et al. (2003); Pena (2004).

** Exige o tratamento da escória de aciaria, para eliminar a presença de CaO e MgO livre. ** Originada da carbonatação da cal livre lixiviada, resultando numa massa porosa e pouco resistente que provoca o entupimento do sistema de drenagem (PENA, 2004).


16

É importante definir as camadas de uma pavimentação, para melhor entendimento das

aplicações da escória de aciaria. Uma seção transversal típica de um pavimento é

composta por um subleito, uma regularização do subleito, um reforço do subleito, uma

sub-base, uma base e um revestimento (Figura 2.8). O Quadro 2.2 define cada uma

destas camadas (SENÇO, 1997).

Figura 2.8 – Seção transversal típica de um pavimento (SENÇO, 1997).

Quadro 2.2 – Camadas de um pavimento (SENÇO, 1997).

Camada Características

Subleito Terreno de fundação do pavimento, com aproximadamente 1 a 1,5 metros de

profundidade.

Regularização do

subleito

Destinada a conformar o subleito, transversal e longitudinalmente, com o

projeto e deve ser executada, sempre que possível, em aterro.

Reforço do subleito Camada de espessura constante, com características tecnológicas superiores às

da regularização e inferiores às da sub-base.

Sub-base Camada complementar à base, quando, por circunstâncias técnicas e

econômicas, não for aconselhável construir a base diretamente sobre a

regularização ou reforço do subleito. O material constituinte da sub-base

deverá ter características tecnológicas superiores às do material de reforço.

Base Camada destinada a resistir aos esforços verticais oriundos do tráfego e

distribuí-los.

Revestimento Também chamado de capa de rolamento, é uma camada, tanto quanto possível

impermeável, que recebe diretamente a ação do tráfego e se destina a melhorar

a superfície de rolamento, quanto às condições de conforto e segurança, além

de resistir ao desgaste.


17

O pavimento pode ser considerado composto de base e revestimento, sendo que a base

poderá ou não ser complementada pela sub-base e pelo reforço do subleito (SENÇO,

1997).

2.4 Características físicas das escórias de aciaria

As propriedades físicas das escórias de aciaria são de extrema importância e têm sido

estudadas e comparadas com agregados naturais e com as especificações definidas para

materiais para pavimentação. O Quadro 2.3 mostra uma comparação de algumas

propriedades e características físicas de materiais típicos da Alemanha e de escória de

aciaria LD. Pode-se concluir, a partir desse quadro, que as escórias de aciaria podem ser

processadas para gerar agregado de alta resistência (ALEXANDRE et al., s.d.;

GEISELER, 1996).

As escórias de aciaria foram testadas como agregados asfálticos de alta resistência por

muito anos. Seu alto desempenho em asfaltos, em relação à resistência mecânica, pode

ser provado, tanto em climas quentes, como o de Singapura, quanto em climas frios,

como o da Scandinavia. Os critérios de projetos tem sido feitos para o melhor uso dos

agregados disponíveis, não o inverso (FEATHERSTONE; HOLLIDAY, 1998 ).

Quadro 2.3 – Comparação entre escória de aciaria, basalto e granito (GEISELER, 1996).

Tipo de Agregado Características

Escória LD Basalto Granito

Massa específica dos sólidos (Bulk density) (g/cm³) 3,1 – 3,7 2,8 – 3,1 2,6 –2,8

Determinação da resistência ao impacto em agregados britados (Resistance to impact determined on crushed

aggregates) (8-12 mm)

(% massa)

10 – 26 9 - 20 12 – 27

Absorção de água (Absortion of water) (% massa) 0,2 – 1,0 <0,5 0,3 – 1,2*

Resistência ao congelamento e degelo (Freeze/thaw resistance

spalling < 5mm) ( % massa) ≤1,0 ≤1,0 0,8 – 2,0*

Abrasão Los Angeles (Los Angeles Test Test aggregate particle size 8/12 mm)

(% massa) 9 – 18 ...... 15 – 20

Valor de polimento de rocha (Polished Stone Value) (PSV) 54 – 57 45 -55 45 – 55

Resistência à britagem (Crushing Strength) (N/mm²) >100 >250 >120*

*Valores médios de um local específico na Alemanha.


18

A base é a mais importante camada estrutural de uma pavimentação. Os agregados

podem ser rocha britada, pedregulho ou escória. Existem muitos parâmetros de projeto,

incluindo: localização geográfica da estrada, materiais disponíveis, carregamento de

tráfego projetado durante a vida útil da estrada, entre outros.

Requisitos específicos têm sido desenvolvidos no Brasil, para aplicações particulares de

escória de aciaria. No caso de camadas de pavimentos, o DNER (DNER-EM 262, 1994)

apresenta requisitos para aceitação do produto (Quadro 2.4).

Quadro 2.4 - Limites específicos de aceitação de escória de aciaria a ser utilizada em camadas de pavimentos (DNER-EM 262, 1994).

Ensaio Limites

Absorção de água (%) 1 – 2

Massa específica (g/cm3) 3 – 3,5

Massa unitária (kg/dm3) 1,5 – 1,7

Abrasão Los Angeles (%) ≤ 25

Durabilidade ao sulfato de sódio (%) 0 – 5

A Multiserv, uma empresa brasileira prestadora de serviços para a indústria metalúrgica,

cita algumas características das escórias de aciaria, produto originado dos processos de

fabricação do gusa e refino do aço (MULTISERV, s.d.):

• elevada resistência mecânica, aliada a uma textura rugosa e uma morfologia de

alta cubicidade;

• estrutura física caracterizada por uma elevada densidade e porosidade acentuada;

• coloração predominantemente cinza clara;

• elevada resistência a variações climáticas;

• alta estabilidade com longa durabilidade (vida útil) para todas as aplicações;

• inexistência de material orgânico em sua composição;

• elevada resistência à abrasão (desgaste);

• intertravamento automático, produzindo uma superfície estável (excelente

resistência à tração), em virtude de seu formato cúbico.

A principal questão que existe, quanto à utilização da escória de aciaria LD como um

agregado de base e sub-base de pavimentação e aterro, é a possibilidade de expansão. O


19

efeito do somatório das contribuições das reações expansivas existentes resulta na

expansão da escória de aciaria, impossibilitando, em princípio, a sua utilização

(SBRIGHI; BATTAGIN, 2002).

Estas reações expansivas, que ocorrem envolvendo certos compostos presentes na

escória de aciaria, geram tensões internas que originam trincas e resultam até na

pulverização do material. Dentre estes compostos volumetricamente instáveis, o CaO e

o MgO são os mais importantes e maiores responsáveis pela desintegração e

enfraquecimento, por diferença de volume molar nas suas reações (ALEXANDRE et

al., s.d; GEISELER; SCHLOSSER, 1988; GEISELER; MOTZ, 1998; GUMIERI et al.,

2000; MACHADO, 2000; SAHAY et al., 2000; ÂNGULO et al., 2001).

2.5 Características mineralógicas das escórias de aciaria

A composição química da escória de aciaria é altamente variável, logo sua composição

mineralógica também será muito variável. Os minerais comuns nas escórias de aciaria

são olivina, merwinite, C3S, C2S, C4AF, C2F, fase RO (solução sólida de CaO, FeO,

MnO e MgO) e óxido de cálcio livre (SHI; QIAN, 2000).

As principais fases minerais da escória de aciaria LD são disilicato de cálcio, diferrita

de cálcio e wustita. A determinação dos teores de CaO e MgO livre é extremamente

importante devido ao potencial de expansão destes compostos (GEISELER, 1996).

A análise química, a difração de raios X, a termogravimetria, a análise térmica

diferencial, a microscopia eletrônica de varredura e métodos do etileno glicol e do

acetato de amônia são algumas das técnicas usadas para a caracterização da

microestrutura da escória de aciaria (RIBAS SILVA, 2003).

A composição química é dada pela análise química centesimal. A difração de raios X

permite a identificação dos compostos cristalizados (inclusive as formas alotrópicas),

presentes na amostra analisada (RIBAS SILVA, 2003).

A identificação das fases cristalinas e amorfas é feita através das análises térmicas. Os

métodos etileno glicol e acetato de amônia identificam o teor de CaO livre, e o segundo

também identifica o MgO livre (RIBAS SILVA, 2003).

As técnicas mais utilizadas são análise química centesimal e a difração de raios X.

Alguns autores também aplicam as análises térmicas (diferencial e termogravimétrica) e


20

a microscopia eletrônica de varredura. O método do etileno glicol é utilizado por quase

todos os autores para determinação do teor de CaO livre (RIBAS SILVA, 2003).

2.5.1 Composição química das escórias de aciaria

A escória de aciaria é um resíduo da produção do aço e é composto por silicatos e

óxidos de elementos não desejados na composição química do aço (ALTUN; YILMAZ,

2002). Alguns dos fatores que podem influenciar sua composição química são: matéria-

prima utilizada, processo de produção, revestimento do conversor, tipo de aço

produzido, forma de resfriamento da escória e sua armazenagem.

A composição química da escória de aciaria é resultante da combinação de elementos

escorificantes com os elementos a serem retirados do ferro gusa e da sucata metálica,

ocasionalmente matéria-prima na fabricação do aço. Silicatos de cálcio e ferritas

combinadas com óxidos de ferro fundido, alumínio, manganês, cálcio e magnésio, além

de outras espécies químicas que aparecem em menor escala, são alguns dos produtos

resultantes desta combinação (PENA, 2004).

A formação da escória de aciaria LD envolve, principalmente, as reações de oxidação

de Si, Mn e Fe e a dissolução da cal. Outros componentes são: Al2O3, Cr2, O3 e TiO2,

etc., provenientes das adições de elementos secundários da carga metálica, MgO

proveniente do desgaste dos refratários ou de adições, CaF2 proveniente da fluorita

adicionada e P2O5 e S das reações de desfosforação e dessulfuração

(MALYNOWSKYJ, 2006).

No processo de fabricação, a escória de aciaria é formada, no início do sopro do

oxigênio, por elevado teores de FeO e SiO2 e os teores de CaO aumentam, à medida que

este é dissolvido na escória líquida (MACHADO, 2000).

O tipo de fundente utilizado, que poder ser cal virgem ou cal dolomítica1, é um dos

principais responsáveis pelas diferenças observadas na composição química das escórias

de aciaria LD (MURPHY et al., 1997). O tipo de fundente influencia também a

quantidade de óxido de magnésio presente na escória de aciaria, classificando-as em

escórias de baixo ou alto teor de MgO.

1 A escória de aciaria produzida a partir da cal dolomítica tende a possuir maior teor de MgO.


21

A composição química das escórias de aciaria LD, das diversas siderúrgicas brasileiras,

é mostrada no Quadro 2.5. Já o Quadro 2.6 mostra as composições químicas das

escórias de aciaria LD, publicadas por diversos pesquisadores internacionais.

Quadro 2.5 - Composição química da escória de aciaria LD (IBS, 1999).

Composição química da escória de aciaria (%) Usinas

CaO MgO Al2O3 SiO2 MnO Fe/t S P2O5

CST 45.2 5.5 0.8 12.2 7.1 18.8 0.07 2.75

ACESITA 44.81 7.32 2.42 15.47 2.09 14.06 0.06 1.18BELGO MINEIRA (Monlevade) 47.0 8.0 1.5 15.0 3.0 19.0

USIMINAS 41.4 6.2 1.4 11.0 6.3 22.0 1.8

AÇOMINAS 45.58 9.48 0.75 12.01 6.59 16.71 2.23

GERDAU – COCAIS 36.2 12.5 0.93 15.4 5.8 21.0 0.04 1.01

MANNESMANN 43.0 7.0 0.8 15.0 3.0 22.0 0.2 1.6

CSN 35.0 6.0 4.0 15.0 3.5 19.7 0.34 0.7

COSIPA 38.69 9.76 1.29 11.17 6.42 22.29 0.06 1.44

GERDAU – PAINS (EOF) 38-45 8-12 2-2.5 13-18 3-5 21-28 1.5-2.5

Quadro 2.6 - Composição química da escória de aciaria LD.

Autor CaO MgO Al2O3 SiO2 MnO Fe total S P2O5

1 MURPHY et al., 1997 35 11,5 3,6 18 6,5 - - -

2 MOTZ; GEISELER, 2001 45 - 55 <3 < 3 12 – 18 < 5 18 - < 2

3 MOTZ; GEISELER, 2001 42 - 50 5 – 8 < 3 12 – 15 < 5 15 – 20 - < 2

4 GEISELER, 1999 48 - 54 1 – 4 1 - 4 11 – 18 1 - 4 14 – 19 - -

5 NSA, s.d. 42 8 5 15 5 24 0,08 0,8

6 GEORGE; SORRENTINO, 1980 47 6 1 13 5 25 <

0,1 2

7 FILEV, 2002 44,3 6,4 1,5 13,8 5,3 17,5 0,07 -

8 LITTLE; SETEPLA, 1999 36 - 46 5,5 – 12,5 0,8 - 4 11 – 15,5 - 14 - 22 - -


22

2.6 Expansibilidade das escórias de aciaria

A utilização da escória de aciaria, como agregado, é limitada pelos efeitos de suas

reações expansivas. Estas reações envolvem determinados compostos presentes na

escória, e geram tensões internas que resultam em trincas e pode até chegar à

pulverização do material. Os compostos volumetricamente instáveis mais importantes,

maiores responsáveis pela desintegração e enfraquecimento por diferença de volume

molar nas suas reações, são o CaO e o MgO. O ferro metálico e as transformações

alotrópicas do silicato dicálcico são outros fatores que contribuem para expansão da

escória, porém, em menores proporções (ALEXANDRE et al., s.d; GEISELER;

SCHLOSSER, 1988; GEISELER; MOTZ, 1998; GUMIERI et al., 2000; MACHADO,

2000; SAHAY et al., 2000; ÂNGULO et al., 2001).

Nas transformações por hidratação, por carbonatação e por oxidação ocorre um

acréscimo de volume, em relação às dimensões originais do cristal, e resulta na

expansão destrutiva da escória de aciaria (Quadro 2.7) (MACHADO, 2000).

Quadro 2.7 - Características das espécies químicas isoladas antes e após a hidratação (WEAST, 1971)

Fórmula NomeDensidade

(g/cm3)M.mol (g/mol)

Vol.Molar (cm3/mol)

Variação de volume (%)a

MgO Periclásio 3,58 40,31 11,26 0*

Mg(OH)2 Brucita 2,36 58,33 24,72 119,5*

CaO Cal 3,38 56,08 16,59 0**

Ca(OH) 2 Portlandita 2,24 74,09 33,08 99,4**

Calcita 2,93 100,09 34,16 105,9**

Aragonita 2,71 100,09 36,93 122,6**

Fe0 Ferro (metálico) 7,86 55,85 7,11 0***

FeO Wüstita 5,7 71,85 12,61 77,4***

Fe2O3 Hematita 5,24 159,69 30,48 328,7***

Fe(OH)2 Hidróxido de Fe 3,4 89,86 26,43 271,7***

FeO(OH) Goetita 4,28 88,85 20,76 192***a Valores calculados a partir do volume e da densidade absoluta das espécies químicas isoladas.

64,25 287,3**

CaCO3

Dolomita 2,87 184,41CaMg(CO3)2

* Variação de volume em relação ao MgO. ** Variação de volume em relação ao CaO. *** Variação de volume em relação ao Fe0.


23

O maior responsável pela expansibilidade da escória de aciaria, principalmente a baixas

idades, é o óxido de cálcio, com teores que variam de 35 a 55%. O óxido de cálcio é

gerado no final do processo do refino do aço, quando parte da cal e do magnésio,

presentes na escória, precipitam, ao ultrapassar os limites da solubilidade da escória

fundida. Este processo justifica o alto teor de CaO e MgO expansivos presentes na

escória (MAAS, 1984; TOSTICARELLI et al., 1985; MACHADO, 2000; FILEV, 2002;

SBRIGHI; BATTAGIN, 2002).

2.6.1 Efeito do CaO

Parte da cal virgem, empregada para retirar e neutralizar os elementos fósforo, enxofre e

silício, no processo de refino do ferro gusa para a produção de aço, é retida pela escória

de aciaria. Ao reagir com água, este óxido de cálcio livre da escória forma compostos

volumetricamente menores, porém, suas partículas hidratadas crescem em uma

orientação preferencial, produzindo pressão ao seu redor, causando, assim, o fenômeno

de expansão (AMARAL, 1999).

O CaO pode ser encontrado nas formas livre ou combinada, de silicatos ou em solução

sólida. A hidratação da cal livre, formando o hidróxido de cálcio [Ca(OH)2] (Equação

2.1), é a primeira reação de hidratação da cal livre a ocorrer na escória de aciaria, o que

provoca um aumento no volume molar de 99% e na superfície do cristal de 54%

(WEAST, 1971; SCANDIUZZI; ANDRIOLO, 1986; SBRIGHI; BATTAGIN, 2002). O

CaO livre presente na escória de aciaria é o composto que desenvolve maior expansão e

alcança teores de até 7% do total de CaO encontrado na escória. O restante de CaO está

combinado na forma de silicatos ou em solução sólida com, principalmente, o Mn, o Fe

e o Mg (GEISELER; SCHLOSSER, 1988; MACHADO, 2000; SAHAY et al., 2000). A

variação de volume, em alguns casos, leva à pulverização do material, devido às tensões

criadas pelas diferenças de volume molar (WEAST, 1971; CINCOTTO, 1977).

CaO(s) + H2O(l) → Ca(OH)2 (s) Equação 2.1

A cal livre é dividida em residual e precipitada. A cal livre residual, relacionada com o

consumo do refratário e o grau de desfosforação, pode ser esponjosa (grãos de 6µm a

50µm) ou granular (3µm a 10µm). Já a cal livre precipitada, que aparece durante o

resfriamento e solidificação da escória, se divide na cal agregada ao C2F (< 4µm), e na

cal livre precipitada no interior dos cristais de C3S (< 4µm) (MASUERO et al., 2004).


24

A cal livre residual esponjosa é constituída de cristais indefinidos, com forma

frequentemente irregular, que formam parte da matriz da escória, ocorrendo

intersticialmente às fases primárias, especialmente ao C2S. A cal livre residual granular

apresenta um contorno mais suave, indicando dissolução e normalmente são livres de

microinclusões (MASUERO et al., 2004).

Outra forma de cal livre, que se hidrata facilmente, é a proveniente de fragmentos não

dissolvidos (GEISELER; SCHLOSSER, 1988; MACHADO, 2000; SAHAY et al.,

2000).

A hidratação mais importante e mais significativa, dentre todas estas citadas, é a da cal

livre esponjosa, cujo tamanho dos grãos pode chegar a 50µm (ALEXANDRE et al., s.d;

GEISELER; SCHLOSSER, 1988).

Fatores como teor e tipo de cal livre presente, umidade, teor de CO2, temperatura e

tamanho dos grãos podem influenciar a expansão da escória de aciaria (GEYER, 2001).

A temperatura na qual a cal livre é preparada influencia na sua reatividade. Quando a

cal é submetida a temperaturas menores que 1000ºC, esta reage instantaneamente com a

água, mas, se a cal for submetida a temperaturas maiores que 1000ºC, esta leva um

tempo maior para hidratar-se, pois se formam cristais densos e compactos, que possuem

menor superfície específica para reagir com a água (AMARAL, 1999).

A hidratação do CaO aumenta à medida em que há uma redução na granulometria dos

grãos, logo haverá uma maior expansibilidade. Além disto, as frações menores que 8

µm apresentam maiores teores de cálcio e menores teores de ferro, quando comparadas

às frações mais grossas (AZEVEDO, 2001; GEYER, 2001).

A formação de CaCO3, por carbonatação (Equação 2.2), e dolomita (CaCO3.MgCO3)

ocorrem em menor escala, mas geram um aumento de volume de 105,9% a 122,6% e

287,3%, respectivamente (WEAST,1971).

CaO + CO2 → CaCO3 Equação 2.2

Para determinação do teor de CaO contido na escória de aciaria é muito utilizado o

método do etileno glicol, porém este método não diferencia a cal hidratada da livre,

limitando desta forma sua utilização (GEISELER; MOTZ, 1998; MOTZ; GEISELER,

2001). Recomenda-se usar esse método apenas de forma complementar, pois existem


25

outros compostos que também contribuem para a expansão do material, principalmente,

quando a escória possui alto teor de MgO.

2.6.2 Efeito do MgO

A origem do MgO, contido na escória de aciaria LD, está no uso de dolomita no forno,

para minimizar o desgaste do revestimento refratário (DRISSEN et al., 1984;

MACHADO, 2000; SBRIGHI; BATTAGIN, 2002). O óxido de magnésio pode existir

sob três formas diferentes na escória de aciaria: quimicamente combinado [monticelita

(CaO.MgO.SiO2) e merwinita (3CaO.MgO.SiO2)]; não-combinado ou livre ou reativo

(periclásio); e também em solução sólida (fase RO2 da escória de aciaria), podendo

chegar a um teor total de 10% na escória de aciaria (SHOUSUN, 1980).

Nas escórias de aciaria LD, a forma mais freqüente de óxido de magnésio é em solução

sólida, composta de FeO e MnO e chamadas de magnésio-wustita, já a forma de

periclásio é mais rara. Porém, o MgO apresenta maior expansão sob a forma de

periclásio (GEISELER; SCHLOSSER, 1988; MONTGOMERY; WANG, 1991).

A dissolução incompleta da dolomita, durante o refino, é a principal forma de geração

do óxido de magnésio livre. Entretanto, o periclásio normalmente se forma quando

existem teores maiores que 3% de MgO total na escória, o que ocorre na maior parte das

aciarias.

Na forma de monticelita ou merwinita, o MgO é vítreo e quimicamente estável. Já o

periclásio é um composto cristalino na forma livre ou reativa. A Equação 2.3 mostra a

hidratação do MgO na forma de periclásio, que forma a brucita ou hidróxido de

magnésio, um composto que tem variação de volume de 119,5% em relação ao MgO

(WEAST, 1971; COUTINHO, 1973; SCANDIUZZI; ANDRIOLO, 1986; MACHADO,

2000; SBRIGHI; BATTAGIN, 2002).

MgO(s) + H2O(g,l) → Mg(OH)2(s) Equação 2.3

Como o periclásio se hidrata lentamente, suas reações de expansão, na escória de

aciaria, acontecem a longo prazo, ao contrário da instabilidade ocasionada pelo

hidróxido de cálcio livre. A hidratação com a água não é imediata, já que o periclásio

2 A fase RO da escória de aciaria é composta de óxidos de ferro, manganês e magnésio, onde o MgO se encontra em solução sólida (YUJI, 1986; SAHAY et al., 2000);


26

encontra-se na forma cristalina. Assim, a água leva muito tempo para atuar sobre o

cristal (semanas, meses ou anos, conforme o grau de cristalização) (COUTINHO,

1973).

A Figura 2.9 mostra a formação do MgO em solução sólida, em que o FeO e o MnO

criam uma coroa protetora ao redor do MgO, dificultando ou mesmo impedindo o seu

contato com a água. Logo, a expansão por hidratação deste tipo de MgO não existe.

Além do MgO, FeO e MnO, quando são altos os teores de CaO na escória, pode existir

CaO nesta formação (SHOUSUN, 1980; GEISELER; SCHLOSSER, 1988).

Figura 2.9- O MgO em solução sólida (GEISELER; SCHLOSSER, 1988)

Fatores como o teor e a espécie de MgO na escória, a umidade, a temperatura, o teor de

CO2 e o tamanho dos grãos, a exemplo do que ocorre com o CaO, também influenciam

a expansão devido ao óxido de magnésio.

Se o tamanho dos cristais for pequeno, irá se hidratar mais rapidamente e não chega a

causar pressões internas. O tamanho destes cristais depende da velocidade de

resfriamento. Se o resfriamento for lento, situação mais comum, formam-se cristais

grandes que irão se hidratar mais lentamente, causando grande expansão (AMARAL,

1999).

2.6.3 Efeito do ferro metálico

O ferro metálico da escória de aciaria LD é incorporado no sopro do oxigênio ou

mesmo durante o próprio vazamento no pote de escória (CRUZ et al., 2000).


27

O efeito global da expansão causada pelo ferro metálico é menor, comparado com a

expansão causada pelo CaO e o MgO. O teor de ferro total, presente na escória, varia de

14 a 28% da sua composição.

A expansão do Ferro Metálico (Feo) é causada por reações de oxidação e corrosão,

formando os compostos: FeO (wustita), com aumento de volume molar de 77,4%, a

hematita (Fe2O3) com aumento de volume de 328,7%, seguida do hidróxido ferroso

[Fe(OH)2] e da goetita [FeO(OH)], com variações de volume de 271,7% e 192,0%,

respectivamente, em relação ao ferro metálico. Deve ser considerado que 70% dos

compostos formados estão na forma de wustita (WEAST, 1971; MACHADO, 2000;


Grande quantidade de partículas de aço ou ferro metálico, que ficam incorporadas à

escória no sopro de oxigênio, está presente na escória de aciaria LD e pode causar

instabilidade volumétrica na escória através da geração de produtos de corrosão e

oxidação (MACHADO, 2000).

Nas reações de oxidação (Equações 2.4, 2.5 e 2.6), o ferro passa de sua forma metálica

Fe0 para sua forma iônica Fe+2 e Fe+3. Já nas reações de corrosão (Equações 2.7 e 2.8),

os íons reagem com o íon hidroxila da água e o oxigênio, formando os hidróxidos

ferroso e férrico, que são mais comuns.

Reações de oxidação:

Fe0 + ½ O2 → FeO (wustita) Equação 2.4

2 Fe0 + 3/2 O2 → Fe2O3 (hematita) Equação 2.5

3 Fe0 + 2 O2 → Fe3O4 (magnetita) Equação 2.6

Reações de corrosão:

Fe+2 + 2 OH → Fe(OH)2 (hidróxido ferroso) Equação 2.7

4 Fe(OH)2 Fe0 + O2 + H2O Fe(OH)3 (hidróxido férrico) Equação 2.8

Uma relação importante, para a expansão da escória de aciaria, é MgO/(FeO+MnO) já

que, se esta relação for menor que 1, há o aumento no espaçamento basal dos cristais e a

formação de wustita, Mg-wustita ou Mg-Mn-wustita, compostos combinados e estáveis

volumetricamente. Entretanto, se a relação for maior que 1, existirá MgO livre e a fase


28

RO3 de periclásio ou periclásio ferroso torna-se volumetricamente instável (SHOUSUN,

1980; SBRIGHI; BATTAGIN, 2002).

2.6.4 Efeito do silicato dicálcico

O silicato dicálcico ou ortosilicato de cálcio, conhecido como 2CaO.SiO2 ou C2S,

também provoca instabilidade volumétrica na escória de aciaria (MASUERO et al.,

2002).

O Quadro 2.8 mostra as formas do C2S, sua densidade e seu sistema cristalino

(MASUERO et al., 2002).

Quadro 2.8 – Formas do silicato dicálcico (MASUERO et al., 2002)

Forma Densidade (g/cm3) Sistema cristalino

α 3,03 Trigonal

α’ 3,31 Ortorrômbico

β 3,28 Monoclínico

γ 2,97 Ortorrômbico

Quando as escórias estão na fase líquida, com temperaturas acima de 1420ºC, ocorre a

fase α. O silicato dicálcico transforma-se em β, quando atinge a temperatura de 670ºC.

A forma β é instável, sendo capaz de alterar-se para a fase γ (MASUERO et al., 2004).

Esta transformação da fase β para a γ produz um aumento de volume de até 12%,

causando o fenômeno de esfarelamento (LEE, 1974 apud MASUERO et al., 2004;

BENSTED et al., 1974 apud MASUERO et al., 2004).

2.7 Considerações sobre escória de aciaria

Dentre as características físicas citadas, apenas duas apresentam desvantagens, em

relação aos materiais convencionais. Uma delas é a massa específica da escória de

3 A fase RO da escória de aciaria é composta de óxidos de ferro, manganês e magnésio, onde o MgO se encontra em solução sólida (YUJI, 1986; SAHAY et al., 2000);


29

aciaria, que é cerca de 20% maior que a dos materiais convencionais, o que aumenta

também o custo com transporte. A outra é a expansibilidade que, existindo adequado

tratamento e avaliação segundo critérios específicos, pode ser contornada, como será

demonstrado no próximo capítulo (HEATON, 1996; JUKES; THOMAS, s.d.).

O CaO e MgO livres são os componentes mais importantes da escória de aciaria porque

determinam sua estabilidade volumétrica, que é o principal critério de aceitação para o

uso das escórias de aciaria como material de construção (MOTZ; GEISELER, 2001).

A utilização de cerca de 90% das escórias produzidas na Europa confirmam que estes

co-produtos da indústria siderúrgica conseguiram um grande índice de aceitação

(ALEXANDRE et al., s.d.).

O uso mais significativo das escórias de aciaria é como base e sub-base para

pavimentação. Porém, sua utilização ainda é muito limitada, devido ao seu potencial

expansivo, quando em contato com a água. As características das escórias de aciaria

variam muito e dependem do modo como ela foi obtida e do tratamento a que ela foi

submetida. Pesquisas, em todo o mundo, têm sido realizadas no sentido de estabilizar

volumetricamente a escória e, assim, viabilizar seu uso na Construção Civil.

A possibilidade de camadas mais finas de bases e sub-bases, para a mesma resistência à

carga/compressão e durabilidade, em relação à aplicação de materiais convencionais,

como areia e brita, contribui para as vantagens econômicas da utilização de escórias

como agregados na construção de pavimentos. Evidentemente, o custo do transporte até

a obra deve ser levado em consideração, pelo construtor, na escolha do melhor agregado

(PENA, 2004).

Cap. 3 - Tratamentos e métodos de estabilização da escória de aciaria

30

3. TRATAMENTOS E MÉTODOS DE ESTABILIZAÇÃO DA ESCÓRIA DE ACIARIA

3.1 Introdução

Considerando as excelentes propriedades técnicas da escória de aciaria, sua utilização

como agregado fica apenas limitada quanto à sua característica expansiva. A

necessidade de estabilização da escória de aciaria levou a uma tendência mundial de

realização de pesquisas propondo diferentes métodos de tratamento que visam diminuir

sua expansibilidade e conferir ao produto propriedades hidráulicas, para utilização como

matéria-prima ou adição ao cimento (ALEXANDRE et al., s.d; GEORGE;

SORRENTINO, 1980; YUJI, 1986; MURPHY et al., 1997; MOTZ; GEISELER, 2001).

O tratamento de estabilização volumétrica mais simples é a exposição prolongada da

escória de aciaria solidificada, ao tempo. Porém, as desvantagens oriundas do

tratamento, como a demanda de um longo período de tempo e necessidade de grandes

áreas para disposição do material, oferece confiabilidade questionável ao método, além

de tornar o produto cristalino (GEISELER; SCHLOSSER, 1988; GEISELER, 1999;

MOTZ; GEISELER, 2001; SBRIGHI; BATTAGIN, 2002).

Este capítulo tem o objetivo de mostrar os diversos tratamentos e métodos de

estabilização volumétrica da escória de aciaria, classificados a partir do momento que

ocorrem: antes da separação entre a escória de aciaria e o aço, alterando o processo de

escorificação, com a escória de aciaria no estado líquido e com a escória de aciaria no

estado sólido.

3.2 Alterações no processo de escorificação

As características da cal virgem e o oxigênio usados na fabricação do aço, para

eliminação de impurezas contidas no ferro gusa e na sucata metálica, assim como a

dolomita, adicionada para a proteção do revestimento refratário do forno, influenciam as

propriedades da escória de aciaria LD (FEDOTOV et al., 1997; MACHADO, 2000;


Com base nisto, desenvolveu-se uma proposta de alteração das características dos

materiais fundentes, para se obter mudanças controladas na escória de aciaria resultante.


31

Entretanto, o agente formador da escória de aciaria deve continuar a fabricar o aço com

a devida qualidade e formar a escória de aciaria adequadamente.

Para minimizar os efeitos do CaO e MgO, elementos volumetricamente instáveis na

escória de aciaria, foi proposta a redução da granulometria da cal ou da dolomita

adicionada no conversor a oxigênio, para que sejam possibilitadas a dissolução e a

completa reação (TOSTICARELLI et al., 1985; GEYER, 2001).

Foi desenvolvida uma outra alternativa, para produzir uma escória de aciaria mais

homogênea e com baixo teor de CaO livre, conservando a qualidade do aço. Este

processo consiste em introduzir um material sintético, constituído de CaO, MgO, Al2O3

e Fe2O3, em proporções específicas, no ferro líquido no conversor, no início do refino.

O objetivo é inibir o problema de instabilidade dimensional, devido à cal livre,

melhorando, também, suas propriedades hidráulicas (GEORGE; SORRENTINO, 1980).

Esta nova composição, chamada de CAMFlux, quando adicionada na escória, resulta em

novos teores de seus elementos, conforme Quadro 3.1. O principal resultado foi uma

redução considerável no teor de CaO livre, apesar de não haver nenhuma alteração no

teor de MgO. Também foi detectado, através de análises, o aumento da quantidade de

C3A e C2S, consequentemente havendo um aumento na atividade hidráulica da escória

de aciaria (CONJEAUD et al., 1980; GEORGE; SORRENTINO, 1980).

Quadro 3.1 - Composição química de uma escória de aciaria LD normal e de outra tratada com CAMFlux (GEORGE; SORRENTINO, 1980).

Elementos (%) Escória de aciaria Clássica Escória de aciaria Modificada com

CAMFlux

CaO 40 – 50 40 – 50

SiO2 8 – 20 8 – 20

FeO 20 – 30 15 – 20

MgO 2 – 12 2 – 12

Al2O3 0 – 2 5 – 15

MnO 3 – 6 3 – 6

P2O5 1 – 2,5 1 – 2,5

CaO livre 5 – 15 1 – 5

A redução do teor de CaO livre, de valores de 5% a 15% para 1% a 5%, reduzirá a

expansão da escória de aciaria a baixas idades. Entretanto, não há alteração no teor de

MgO, responsável pela expansão a idades maiores.


32

3.3 Tratamentos da escória de aciaria líquida

Existem tratamentos da escória de aciaria, para melhorar suas propriedades, ainda no

estado líquido, logo após a separação entre o aço e a escória e quando está depositada

no pote de escória.

Os tratamentos da escória, no estado líquido, possuem a vantagem de não influenciar as

características do aço ou o seu processo de fabricação. O método é realizado fora do

forno LD, possibilitando variedade de tratamento, de acordo com seu fim.

Foi desenvolvido um tipo de tratamento que utiliza a adição de sílica e oxigênio à

escória de aciaria e que resolve o problema da cal livre na escória de aciaria LD,

necessitando apenas de energia para a dissolução da sílica (KUEHN et al., 2000). Com a

injeção de oxigênio, a fonte de calor é gerada a partir da reação exotérmica de oxidação

do FeO, que se transforma em Fe2O3 (Equação 3.1), composto que pode combinar com

o CaO (Equação 3.2). A dissolução, e posterior combinação do CaO livre com a sílica

(Equação 3.3), reduz a relação CaO/SiO21 e é o objetivo do tratamento (FEDOTOV et

al., 1997; GEISELER; MOTZ, 1998; GEISELER, 1999; KUEHN et al., 2000; MOTZ;

GEISELER, 2001).

O2 + 2 FeO → Fe2O3 + energia Equação 3.1

2 CaOlivre + Fe2O3 → 2CaO . Fe2O3 Equação 3.2

2 CaOlivre + SiO2 → 2CaO . SiO2 Equação 3.3

Quando a escória de aciaria é basculada no pote, ela é transportada até o local onde é

realizado o processo de tratamento. Primeiramente, é injetado o oxigênio e depois

acrescentada a sílica, mantendo o sopro de oxigênio, que melhora a mistura entre a

sílica e a escória, quando a viscosidade da escória de aciaria diminui (KUEHN et al.,

2000).

A escória de aciaria sofre transformações microestruturais, neste tipo de tratamento.

Kuehn et al. (2000) compararam a microestrutura da seção polida de escória de aciaria

LD, observada no microscópio eletrônico de varredura, sem tratamento e com

tratamento. Sem o tratamento, a escória de aciaria apresentou cristais longos e escuros


33

de silicato tricálcico (C3S), envolvidos na matriz de ferritas (C2F) e wustitas (FeOx); o

CaO livre pode ser identificado na superfície áspera dos cristais. Já na escória tratada

com adição de sílica e oxigênio, é observada uma estrutura mais uniforme, onde o C3S

que restou aparece numa forma mais homogênea, já atacado pela sílica adicionada no

tratamento, sendo a maioria dos cristais de C3S transformada em C2S. Nestas condições,

o CaO livre é completamente dissolvido, caracterizando o benefício principal do

tratamento feito.

Este tratamento foi desenvolvido pelo Thyssen Krupp Stahl AG e pela FehS, na

Alemanha, está sendo utilizado em Duisburg e produz, aproximadamente, 12.000 t de

escória de aciaria LD tratada por mês. Além disso, a escória de aciaria tratada obteve

teores inferiores a 1% de aumento volumétrico, excelente desempenho quanto à

expansibilidade, na utilização em pavimentação (KUEHN et al., 2000).

A Figura 3.1 mostra, comparativamente, a expansibilidade de uma escória de aciaria LD

com tratamento e de outra sem o tratamento de adição de sílica e oxigênio. O método de

ensaio utilizado é chamado de steam test, que será descrito no Capítulo 4.

Figura 3.1 – Resultados de ensaio de expansibilidade para escória de aciaria LD com e sem tratamento por adição de sílica e oxigênio (KUEHN et al., 2000).

Fedotov et al. (1997) propuseram, além da adição da própria sílica, a adição da alumina

à escória de aciaria líquida, provocando uma reação da alumina com o Fe2SiO4

1 Numa experiência prática neste tipo de tratamento, na Alemanha, o índice CaO/SiO2 foi reduzido de 4,8 para 3,2 (KUEHN et al., 2000)


34

(conforme a Equação 3.4) e contribuindo para o aumento do teor de SiO2 na escória

líquida, melhorando as condições para granulação.

Al2O3 + Fe2SiO4 → Al2O3.2FeO + SiO2 Equação 3.4

Os resultados das análises feitas mostraram que uma quantidade de 30% de sílica ou

20% de alumina, em relação à massa de escória de aciaria líquida, alcança resultados

ótimos para a granulação. Se for utilizada uma fração igualmente dividida entre sílica e

alumina, a quantidade para granulação de melhor resultado é de 25% (FEDOTOV et al.,

1997).

Outro tratamento interessante para a escória de aciaria é a granulação, um processo

largamente utilizado na produção da escória de alto-forno, consistindo no resfriamento

brusco da escória de aciaria, que sai do forno a aproximadamente 1400ºC. O objetivo

deste tratamento é desorganizar a microestrutura do material, tornando-a amorfa,

permitindo, assim, maior atividade hidráulica e redução da expansibilidade (MURPHY

et al., 1997; MASUERO et al., 2000b).

Em condições normais, a escória é resfriada lentamente ao ar, logo, há tempo suficiente

para os óxidos, alguns responsáveis pela instabilidade volumétrica da escória, se

cristalizarem. Já no resfriamento rápido, provocado pela granulação, não há tempo

suficiente para que esses óxidos se cristalizem, havendo a formação de uma estrutura

vítrea, o que inibe o problema da expansão (MASUERO et al., 2000b). A forma mais

comum de promover a granulação da escória de aciaria é através de imersão da escória

líquida em água.

Para comprovar que o tipo de resfriamento influencia na transformação da escória de

aciaria de material cristalino em um material amorfo, foram realizadas duas análises de

DRX em escórias, uma com resfriamento lento e outra com resfriamento brusco

proporcionado pela granulação (Figura 3.2 e Figura 3.3) (GEYER et al., 1996;

MURPHY et al., 1997). Sharma et al. (1997) também usaram o resfriamento brusco

para melhorar as propriedades hidráulicas da escória de aciaria LD, comprovando tal

transformação.


35

Figura 3.2 – DRX de escória de aciaria resfriada bruscamente (MURPHY et al., 1997).

Figura 3.3 – DRX de escória de aciaria resfriada lentamente (MURPHY et al., 1997).

Um tipo de granulação com água utiliza discos giratórios, onde a força centrífuga da

rotação age na escória de aciaria líquida, resfriada quando entra em contato com os

discos que usa água recirculante (FEDOTOV et al., 1997).

Existem algumas desvantagens na utilização da granulação com água, como secagem do

material, alto custo de despoluição, emissão de vapor de ácido, risco de explosões e

tratamento de água de resfriamento. Entretanto, na França, foi desenvolvido um

granulador a ar, que é composto de uma coroa com vários furos por onde passa ar a alta

pressão, fazendo com que haja a pulverização do fluxo da escória de aciaria ainda


36

líquida. A escória pulverizada resfria-se ao ar e pode ser modificada, de acordo com a

velocidade do ar pulverizante. Este tipo de granulação tem como vantagens a

simplicidade, a rapidez de resfriamento, o menor custo em relação à granulação úmida e

a possibilidade de maior recuperação metálica, além de eliminar uma série de processos

que são necessários na granulação com água (FEDOTOV et al., 1997;

FEATHERSTONE; HOLLIDAY, 1998).

A granulação tem a característica de aumentar a friabilidade da escória de aciaria, o que

pode ser prejudicial para uma possível utilização como agregado mas, por outro lado,

pode ser interessante para um processo de moagem, visando à utilização como adição ao

cimento (GUMIERI et al., 2000).

3.4 Tratamentos na escória de aciaria em estado sólido

A escória de aciaria, quando não é submetida a nenhum tipo de tratamento especial, é,

após a geração, depositada em pátios, para posterior resfriamento lento. A percolação

ascendente dos gases confere uma estrutura porosa à escória de aciaria (ALEXANDRE;

RAGUIN, 1984)2. O processo de estabilização mais comum, após esta fase, é a

exposição ao tempo, em condições ambientes de temperatura e umidade, também

chamado de weathering, que pode vir acompanhado de aspersões de água ao longo do

tempo (ALEXANDRE et al., s.d; ANDERSON, 1984; TOSTICARELLI et al., 1985;

GUMIERI et al., 2000; KUEHN et al., 2000; ROBINSON, 2000; THOMAS, 2000;

AZEVEDO, 2001; GEYER, 2001). Comprovou-se que o armazenamento ao ar, sem

umidificação, não oferece garantias de tratamento e que as pilhas de escória devem ter

uma altura máxima de 1,5 a 2,0 metros (GEYER, 2001).

Existem algumas desvantagens do método de estabilização ao tempo, entre elas a

demanda de um período de tempo prolongado, grandes áreas para disposição do

material, geração de partículas muito finas e de um material heterogêneo (GEISELER;

SCHLOSSER, 1988; JIS, 1992; SUMIMOTO, 1998; GEISELER, 1999; KUEHN et al.,

2000; MOTZ; GEISELER, 2001). A confiabilidade deste método também é

questionável, pois existe uma série de variáveis que deve ser observada, como a

granulometria, a disposição, a forma e o tamanho das pilhas e as condições ambientais

2 A porosidade tende a ser menor quanto mais lento for o resfriamento e, com menor porosidade, a expansão tende a ser menor (WACHSMUTH et al., 1981).


37

do local de armazenamento. Todos estes fatores podem influenciar, principalmente, a

retenção de umidade na pilha, o que favorece a hidratação de óxidos livres3 (THOMAS,

2000).

Um outro método de estabilização consiste numa variação do método weathering que

utiliza, além da molhagem, a aeração por meio de movimentação da escória de aciaria.

No Brasil a maioria das usinas usam tratamento weathering e, algumas, utilizam esta

variação com molhagem e aeração para estabilização da escória.

Já, na cura acelerada, após a solidificação e britagem, a escória siderúrgica é submetida

ao spray de água quente (cura por água quente) e à injeção de vapor ou passagem

através de zona de vapor (cura por vapor). Esses processos permitem acelerar a

estabilização da escória, reduzindo o tempo de cura (GEYER, 2001).

No Japão, foi desenvolvido um método de cura a vapor d’água que promove a

hidratação dos compostos expansivos da escória de aciaria, melhorando desta forma as

condições de estabilização acelerada do material em relação ao método de estabilização

ao tempo. As moléculas de vapor são menores que as de água, com maior poder e

velocidade de percolação e hidratação no material, tornando o processo a vapor mais

rápido que os demais (MORISHITA et al., 1995).

A cura a vapor da escória de aciaria pode ser realizada através de injeção de vapor

d’água saturado a pressão atmosférica, em pontos distribuídos na base de uma pilha de

escória, método chamado de open yard (Figura 3.4). Este método tem duração total

aproximada de 1 (uma) semana, enquanto o método de cura ao tempo pode levar mais

de 2 anos, dependendo das condições do processo e do material (OSEKI, s.d.; JIS, 1992;

MORISHITA et al., 1995; SUMIMOTO, 1998; MORIKAWA et al., 1998; GEYER,

2001).

3 A umidade da ordem de 4% a 6% é suficiente para facilitar a hidratação do CaO livre (THOMAS, 2000).


38


atmosférica (MORISHITA et al., 1995).

A perda de vapor, por se tratar de ambiente aberto, pode provocar variação em seu fluxo

de percolação, comprometendo a qualidade da escória tratada. Além disso, existem

outras desvantagens do método como: possibilidade de entupimento da tubulação de

injeção de vapor, pelos grãos mais finos de escória, necessidade de grandes áreas e, pelo

fato do processo não ser totalmente automatizado, riscos aos operadores que devem

manusear a lona e colocar os termômetros na pilha de escória (MORISHITA et al.,

1995).

Yuji (1986) propôs um tratamento de escória de aciaria LD utilizando vapor sob

pressão. O autor controla as variáveis de pressão do vapor saturado, que interferem no

grau de hidratação, e o tempo de tratamento da escória de aciaria, que determina as

características dos produtos hidratados de CaO livre e os minerais silicatos. Concluiu-se

que os valores ótimos de pressão são de 1 a 3 atmosferas e o período de tempo inferior a

3 horas, em certas situações.

Uma indústria japonesa desenvolveu um processo de tratamento da escória de aciaria

LD em autoclave, chamado de SKAP (Sumimoto Kawasaki Ageing Process), processo

este totalmente automatizado, que utiliza vapor saturado a alta pressão e permite o

tratamento da escória em apenas 3 horas de vapor saturado a alta pressão.

Neste processo, a escória é depositada no recipiente móvel e então transportada até os

cilindros de autoclave, onde ocorre a injeção de vapor sob pressão; a temperatura do

vapor pode chegar a 158ºC, com 0,6 MPa de pressão do vapor saturado e inicia-se o

tratamento. Após a conclusão do tratamento, a escória tratada é descarregada, em uma


39

área de descarga, e refrigerada (SUMIMOTO,1998; MORIKAWA et al., 1998). Um

esquema representativo deste método pode ser visto na Figura 3.5.


(MORIKAWA et al., 1998).

Verificou-se que o consumo de vapor é 60% menor, em relação ao método de cura a

vapor a pressão atmosférica. Outra vantagem do processo com pressão é que a escória

de aciaria resultante possui maior homogeneidade e menor expansibilidade, devido a

uma maior penetração do vapor na escória. (SUMIMOTO, 1998; MORISHITA et al.,

1995; MORIKAWA et al., 1998).

3.5 Métodos utilizando misturas de escória de aciaria com outros materiais

Outra forma de estabilizar a escória de aciaria é a mistura com outros materiais, com o

objetivo de modificar e melhorar suas propriedades. Muitos tipos de misturas com

diferentes proporções têm sido pesquisadas, utilizando diversos tipos de materiais, que

podem ser: escória de alto-forno (bruta ou granulada) (ASA, 2002), cinza volante (fly

ash) (HEATON, 1989; HEATON, 1996) e saibro (SILVA; MENDONÇA, 2001;

CONSULPAVI, 2003). A escória de alto-forno e a cinza volante possuem dimensão

inferior à da escória de aciaria e desta forma, preenchem os vazios da escória de aciaria.


40

Este preenchimento aumenta o peso específico aparente seco e o intertravamento das

partículas, gerando, também, uma estabilização mecânica (RAPOSO, 2005).

Heaton (1989) define as cinzas volante como resíduos fundamentalmente sílico-

aluminosos, finamente divididos, provenientes da combustão do carvão mineral

pulverizado, utilizado em usinas termoelétricas. Apresentam capacidade de reação com

a cal, em presença de água, originando a formação de novos compostos com

propriedades aglomerantes, e são considerados materiais pozolânicos.

Existem vários estudos que utilizam diversas proporções dos materiais para misturas

usadas em bases e sub-bases.

Na Austrália, uma mistura de 60% de escória de aciaria LD menor que 25 mm com 40%

de escória granulada de alto-forno resultaram, em ensaios de resistência à compressão

simples de amostras de uma base, curadas durante 28 dias em câmara úmida, em 5,0

MPa e, após 7 dias em cura acelerada, 3,0 MPa de resistência à compressão. Outra

mistura utiliza 95% de escória de aciaria LD com 5% de cinza volante (fly ash) dando

resultados similares à primeira mistura (ASA, 2002). O ganho de resistência com o

tempo pode ser atribuído às reações da cal livre contida na escória de aciaria com a

cinza volante e com a escória de alto-forno e, também, à ação de cimentação dos

materiais componentes da mistura.

No Brasil, no Espírito Santo, o Projeto TRANSCOL e no Contorno de Volta Redonda,

no Rio de Janeiro, foi utilizada uma mistura de escória de aciaria com saibro, material

abundante e de utilização tradicional no país, e têm tido bons resultados em relação à

durabilidade (SILVA; MENDONÇA, 2001; CONSULPAVI, 2003).

Misturas com diferentes proporções de escória de aciaria LD, escória granulada de alto-

forno e escória bruta de alto-forno foram estudadas no Japão (NAGAO et al., 1987).

Todas as misturas apresentaram massa unitária superior a 1720 kg/m3 e resistência à

compressão simples superior, quando comparada à escória de aciaria LD pura.

3.6 Considerações sobre os tratamentos e métodos de redução de expansão

A crescente preocupação com o desenvolvimento sustentável, com o meio ambiente e

com os planos de expansão de algumas empresas motivam as siderúrgicas a investir


41

cada vez mais em tratamentos das escórias de aciaria, visando minimizar o efeito das

reações expansivas de seus componentes.

As diferentes técnicas de tratamento da escória de aciaria, como a inserção de novos

agentes escorificantes (para a redução de compostos expansivos na escória resultante),

as adições na escória líquida (para estabilizar quimicamente os compostos expansivos),

a granulação (para alterar a estrutura cristalina da escória de aciaria) e a cura a vapor ou

tratamento em autoclave (para a hidratação forçada dos compostos expansivos por esta

reação), possuem vantagens e desvantagens e podem ser aplicadas em diferentes

situações de utilização da escória de aciaria (Quadro 3.2). Estes tratamentos da escória

contribuem também para a melhoria geral das características deste co-produto.

Quadro 3.2 – Tratamentos e métodos de redução do potencial expansivo das escória de aciaria.

Tratamento Descrição Momento de Atuação Pontos Fortes Pontos Fracos

Eficácia (quanto a redução

da expansão)

Aumento da dissolução dos

fundentes

Redução da granulometria da

cal/dolomita

Antes da geração Baixo Custo ND ND

Alteração do agente

escorificante

Utilização de um material sintético como fundente

Antes da geração

Aumenta também a atividade hidráulica

da escória

Não altera o teor de MgO livre Baixa

Adição de sílica e oxigênio

Adição de sílica e oxigênio à escória líquida com uma

fonte de calor

Após a geração, com a escória

no estado líquido

Redução dos teores de CaO e MgO

livres para menos de 1%

Alto custo Média

Granulação com água

Resfriamento brusco com água

Após a geração, com escória no estado líquido


da escória

Alteração na granulometria; é preciso secagem;

problemas ambientais

Alta

Granulação a seco

Resfriamento brusco a seco

Após a geração, com escória no estado líquido


da escória; mais simples que a

granulação com água

Alteração da granulometria Alta

Cura ao tempo (weathering)

Exposição ao tempo –

ocasionalmente com molhagem

Após a geração, com escória no estado sólido

Baixo custo e simplicidade

Demorado; falta de definição

metodológica; heterogeneidade

Variável

Cura ao tempo com molhagem

e aeração

Exposição ao tempo – com molhagem e

aeração


Baixo custo e simplicidade; Mais

rápido que o weathering

Heterogeneidade Variável


42

Quadro 3.2 – Tratamentos e métodos de redução do potencial expansivo das escória de aciaria – continuação.

Tratamento Descrição Momento de Atuação Pontos Fortes Pontos Fracos

Eficácia (quanto a

redução da expansão)

Cura a vapor sob pressão

atmosférica (open yard)

Injeção de vapor à escória


Redução considerável dos teores de CaO e

MgO livres

Alto custo, principalmente se não há rede

de vapor disponível

Alta

Cura a vapor sob pressão (SKAP)

Injeção de vapor à escória em autoclave


Redução considerável dos teores de CaO e

MgO livres

Alto custo Muito alta

Misturas

Mistura com outros materiais,

com o objetivo de modificar e

melhorar suas propriedades.


Ganho de resistência com o

tempo ND Alta

ND – não divulgado

Cap. 4 - Métodos de avaliação do potencial de expansão da escória de aciaria

43

4. MÉTODOS DE AVALIAÇÃO DO POTENCIAL DE EXPANSÃO DA ESCÓRIA DE ACIARIA

4.1 Introdução

O efeito expansivo da escória de aciaria limita sua utilização; devido a este fenômeno,

desenvolveram-se vários métodos para a avaliação e quantificação desta expansibilidade

(MACHADO, 2000).

Na Europa, métodos de ensaios para medir a expansibilidade da escória de aciaria foram

desenvolvidos e testados, com o objetivo de conhecer melhor a capacidade de expansão

da escória de aciaria. Os métodos tradicionais de avaliação da expansibilidade foram

adaptados, a partir do ensaio de compactação Índice de Suporte Califórnia (ASTM D

1883, 1999). O objetivo deste item é descrever alguns métodos para a avaliação e

quantificação da expansão da escória de aciaria.

4.2 Métodos de ensaios adaptados a partir do ensaio de compactação

É necessário padronizar a compactação das amostras para a avaliação da

expansibilidade da escória de aciaria. Portanto, alguns métodos de ensaio foram

propostos, tomando como base o ensaio de compactação de solos DNER-ME 049/94

(Solos- determinação do Índice de Suporte Califórnia utilizando amostras não

trabalhadas).

Neste ensaio de compactação, a amostra deve ser seca ao ar, destorroada,

homogeneizada e reduzida até se obter uma amostra representativa de 7000g. Em

seguida, a amostra deve ser peneirada, de forma que o material retido na peneira de

19mm seja substituído por igual quantidade, em peso, do material passante da peneira

de 19mm e retido da peneira de 4,8mm. A moldagem dos corpos-de-prova consiste na

colocação da amostra, em um molde padrão com cilindro complementar, em camadas e

a compactação, com soquete, de cada camada. Depois de compactada a amostra, o

cilindro complementar deve ser removido e a amostra deve ser rasada na altura exata do

molde, determina-se, então, o peso úmido do material compactado e, com o material

excedente da moldagem, determina-se a umidade. Repete-se todo este procedimento

para teores crescentes de umidade. Com estes resultados, determina-se a curva de


44

compactação e, conseqüentemente a umidade ótima e a densidade máxima (DNER 049,

1994).

Os ensaios de expansão utilizam corpos-de-prova cilíndricos submersos em água e as

medidas de expansão são lidas em função do aumento na direção vertical (altura).

Os métodos e normas tradicionalmente usados são:

• Norma japonesa JIS A 5015/92 (Japanese Industrial Standard);

• Norma americana ASTM D 4792/00;

• Método de ensaio do Departamento de Transportes da Pensilvânia PTM 130/78,

adaptado pelo Departamento de Estradas de Rodagem de Minas Gerais (DMA-

1/DER-MG/92), de acordo com o DNER – DPT 49/64.

4.2.1 O ensaio da norma JIS A 5015

A norma japonesa JIS A 5015 (Japanese Industrial Standard) foi desenvolvida visando

à utilização da escória de aciaria em pavimentação e fixando critérios qualitativos e

quantitativos que devem ser atendidos para este fim, como granulometria, absorção e

peso específico.

Neste ensaio são utilizados 3 corpos-de-prova cilíndricos (Figura 4.1), obtidos através

do ensaio de compactação, com granulometria específica, e curados com “cura normal”

ao ar livre, por período superior a 6 meses (JIS 5015, 1992; MASUERO et al., 2000a;

MASUERO et al., 2000b). “Cura normal” significa o processo de redução da

expansibilidade em que a escória de aciaria é britada e molhada e reage naturalmente

durante o período de cura com o ar e a água.

Após repouso de 24h, os corpos-de-prova são imergidos em água e sujeitos a ciclos de

aquecimento diários de 6 horas, com temperatura de 80ºC, repetindo-se o processo por

10 dias. A variação de altura do corpo-de-prova é a medida de expansão da escória de

aciaria, que não deve ser superior a 2%, para utilização em pavimentação.


45

Figura 4.1 - Equipamento para ensaio de expansão em água (JIS A 5015, 1992)

4.2.2 O ensaio ASTM D 4792

Denominado Potential Expansion of Aggregates from Hydration Reactions (Expansão

potencial de agregados em reações de hidratação), este ensaio possui como objetivo

avaliar as características expansivas da escória de aciaria, visando seu uso em

pavimentação.

Os corpos-de-prova são preparados em frações granulométricas específicas, em formas

cilíndricas e compactados com energia do Proctor normal ou modificado. Depois de

compactado, o corpo-de-prova é imerso em água na temperatura de 70 ± 3ºC, por no

mínimo 7 dias1. As medidas de expansão devem ser realizadas diariamente e, ao final do

ensaio, tem-se o valor calculado da expansão, com base nos valores encontrados.

A norma ASTM D 2940/03 (Standard specification for graded aggregate material for

base or subbase for highways or airports) estabelece que o limite para agregados que

contenham compostos sujeitos à hidratação, tais como a escória de aciaria, é de 0,5% de

expansão aos 7 dias, quando testados de acordo com o método ASTM D 4792/00.

1 Caso não seja observada queda na taxa de expansão nesse prazo, deve-se continuar o ensaio para obter dados adicionais, tipicamente, por mais 7 dias.


46

4.2.3 Adaptação do PTM 130 pelo Departamento de Estradas de Rodagem de Minas Gerais

Os corpos-de-prova usados neste ensaio são compactados de acordo com a norma

DNER-ME 049/94, em três camadas, com espessuras finais aproximadamente iguais e

na umidade ótima, com 56 golpes de soquete metálico cilíndrico (5,1cm de diâmetro,

peso de 2,496kg e altura de queda de 30,48cm), por camada. Depois da compactação, os

corpos-de-prova são submergidos em água, na temperatura de 71 ± 3ºC, e instala-se um

relógio comparador no topo da amostra, para acompanhar a expansão vertical. São

realizadas leituras diárias nos sete primeiros dias e, então, as amostras são retiradas do

banho térmico e mantidas na condição saturada, por adição diária de água, na

temperatura de 71 ± 3ºC, sendo feitas leituras de expansão por mais sete dias.

O limite determinado pela norma DNER EM 262/94 para escórias de aciaria é de 3%.

4.3 O ensaio de agulhas de Le Chatelier – NBR 11582/91

A NBR 11582/91, ensaio de agulhas de Le Chatelier (MB-3435/1991), indica a

determinação da expansibilidade acelerada do cimento Portland, provocada pela

hidratação de óxido de cálcio e de magnésio.

Este ensaio foi adaptado, para avaliação da expansão da escória de aciaria. Nele, é

realizado um traço de pasta ou argamassa de cimento e escória, suficiente para 6 corpos-

de-prova. O afastamento das extremidades das agulhas (Figura 4.2), que ocorre em

função do aumento do diâmetro e mede a expansibilidade da escória de aciaria. Este

ensaio pode ser realizado a frio ou a quente, sendo que o ensaio a quente exige menor

duração que o ensaio a frio (GEYER et al., 1998; GUMIERI et al., 2000; MACHADO,

2000; MANCIO et al., 2000; MASUERO et al., 2000b; GEYER et al., 2001;

MACHADO et al., 2002; SILVA FILHO et al., 2002).


47

Figura 4.2 - Agulha de Le Chatelier (COUTINHO, 1973)

No ensaio à quente, inicialmente, os corpos-de-prova são imersos em água à

temperatura ambiente, por 24 horas, e depois imersos em água a 100ºC, por período de

3 a 5 horas, repetindo-se este ciclo, até a estabilização da abertura das agulhas. Já no

ensaio à frio, a imersão na água a temperatura ambiente aumenta para 7 dias e não há

imersão em água a 100ºC. O limite de expansão é de 5mm para pastas de cimento.

Gumieri et al. (2000) realizaram este ensaio à quente e à frio com pasta de 70% de

escória de aciaria LD e 30% de cimento Portland (CPI-S classe 32). No ensaio à quente,

a expansão média, para os três corpos-de-prova ensaiados, foi de 24mm. Já no ensaio à

frio, não houve abertura das agulhas, logo, o corpo-de-prova com escória não expandiu.

Para melhor comparação com outros ensaios, Machado (2000) fez a cura à quente em

água a 80ºC, por período de 320 horas. Após este período, os corpos-de-prova estavam

com intensa fissuração e com abertura das agulhas de até 61,43mm. Apesar da

simplicidade do método, o autor comenta que seus resultados são pouco precisos.

4.4 O ensaio de autoclave

A avaliação da expansibilidade de óxidos de cálcio e magnésio no cimento Portland é o

objetivo do ensaio em autoclave, que está descrito na norma ASTM C 151/1993. Neste

ensaio, os corpos-de-prova prismáticos (25x25x250mm) são moldados e, após 24 horas,

submetidos à autoclave por 3 horas, após alcançada uma pressão de 2MPa. O limite

desta norma é de 0,8%.

Masuero et al. (2004) realizaram este ensaio de autoclave com escória de aciaria elétrica

moída, como substituição ao cimento e a expansão obtida foi de 2,04%.


48

As condições dos ensaios em autoclave, como variação de pressão e tempo de ensaio,

possuem confiabilidade desconhecida.

Este ensaio não é muito utilizado em escórias de aciaria. Antigamente o ensaio em

autoclave era utilizado para determinar a expansibilidade do cimento Portland (MOTZ;

GEISELER, 2001). A alta temperatura e pressão no ensaio modificam a microestrutura

do material, além de simular condições que o material nunca encontraria, quando em

utilização em obras de engenharia como, por exemplo, na pavimentação. E, mesmo para

o cimento, ele é bastante contestado, devido às mudanças que ocorrem na

microestrutura da pasta do aglomerante, com o aumento de temperatura e pressão

(PENA, 2004).

4.5 O ensaio a vapor - Steam Test

A necessidade de um ensaio rápido e eficiente, para a determinação da expansibilidade

das escórias de aciaria, confirmou que os ensaios que mediam a expansão por imersão

em água tinham resultados de expansão menores do que numa situação em que havia

permanência das amostras em câmara úmida. Na câmara úmida, as moléculas de vapor

penetravam na amostra mais rapidamente, logo a amostra se hidratava melhor

(MORISHITA et al., 1995; MOTZ; GEISELER, 2001).

Este princípio levou ao desenvolvimento do ensaio a vapor Steam Test, método este

normalizado na Europa (parte da norma prEN 1744-1 – Testes para propriedades

químicas de agregados – análises químicas), que mede a expansibilidade da escória de

aciaria, para utilização em pavimentação. O objetivo do Steam Test é a reação entre o

vapor d’água e o CaO livre e/ou o MgO livre (MOTZ; GEISELER, 2001).

Em 1980, na Alemanha, o Steam Test começou a ser utilizado para monitoramento da

qualidade da escória a ser utilizada em pavimentação, sendo hoje um método

rotineiramente utilizado em alguns países da Europa (PENA, 2004).

A amostra utilizada neste ensaio deve atender a determinadas frações granulométricas

(0 a 22mm) e, após preparada, deve ser compactada num molde cilíndrico. O corpo-de-

prova é colocado sobre um recipiente com água aquecida a 100ºC; o vapor gerado pelo

calor percola através da escória, que está na parte superior do molde cilíndrico (Figura

4.3). A norma cita que devem ser realizadas 2 determinações por amostra. O

equipamento Steam Test possui capacidade para a realização de ensaio em dois corpos-


49

de-prova, simultaneamente. A umidade necessária para a reação de hidratação da CaO e

do MgO livres é fornecida continuamente à amostra preparada (GEISELER; MOTZ ,

1998; MOTZ; GEISELER, 2001).

Figura 4.3 – Equipamento do Steam Test (MOTZ; GEISELER, 2001)

A expansão da escória é registrada por um relógio comparador, acoplado ao

equipamento, na parte superior, o qual mede o aumento de altura sofrido pela escória. A

expansibilidade do teste é calculada a partir do incremento de volume medido neste

relógio comparador. Esta diferença de volume e o tempo de ensaio são plotados em uma

curva típica do Steam Test (Figura 4.4), em que pode ser observada uma alta taxa de

aumento de volume, no início da curva, e depois uma estabilização da curva, com a

continuação do ensaio. Segundo A norma BS EN 13242/2002, o tempo de ensaio

necessário para a estabilização da escória de aciaria varia com o tipo de escória e o teor

de MgO. No caso das escórias LD e EAF com baixo teor de MgO é 24 horas; para

aquelas com alto teor de MgO, o tempo aumenta para 168 horas (Quadro 4.1). Já a

norma prEN 1744-1 cita um tempo de ensaio de 24 horas, para amostras LD, e 168

horas, para amostras EAF.


50

Figura 4.4 – Curva típica de expansão da escória medida pelo Steam Test.

O Quadro 4.1 mostra os limites, dependendo da categoria, de expansão para escórias de

aciaria destinadas à pavimentação, encontrados no Steam Test.

Comparam-se os resultados de testes de laboratório com os resultados de

expansibilidade obtidos com escórias de aciaria sob condições de utilização em

pavimentação, concluiu-se que há coerência entre os resultados obtidos no laboratório,

em curto prazo, e o desempenho do material no campo, em longo prazo (MOTZ;

GEISELER, 2001).


51

Quadro 4.1 - Valores de expansão máxima para escória de aciaria para pavimentação (BS EN 13043, 2002; BS EN 13242, 2002).

Escória para misturas

betuminosas

Escória para base e sub-base

LD/EAF (Teor de MgO ≤ 5,0%)

3,5 5 24

LD/EAF (Teor de MgO > 5,0%)

3,5 5 168


6,5 7,5 24


6,5 7,5 168


10 10 24


10 10 168


VD

b Categorias de utilização em pavimentação (utilização mais nobre A - menos nobre D)

VC

VB

VA

CategoriabTipo de escória

Sem requisitos

Valores máximos de expansão (%) Tempo de ensaio (hora)

4.6 Considerações sobre os métodos de avaliação

Em 1978, iniciaram-se as pesquisas com o ensaio de autoclave mas, como as condições

do ensaio, alta temperatura (215ºC) e a alta pressão (21 bar), eram extremamente irreais,

concluiu-se que o ensaio não corresponderia às condições de campo (MOTZ;

GEISELER, 2001). A partir daí, desenvolveram-se outros ensaios que medem a

expansão da escória de aciaria.

O fato do ensaio com agulhas de Le Chatelier não ser normalizado, para utilização com

escória de aciaria, leva a diferentes proporções de escória, cimento e água na pasta que

compõe os corpos-de-prova, o que pode levar a diferentes resultados para uma mesma

escória.

Os ensaios de avaliação da expansibilidade das escórias de aciaria, com base na ASTM

D 698, apesar de bastante utilizados, são alvos de alguns questionamentos. Machado

(2000) comenta que os métodos que têm como base o ensaio de compactação, com

penetração de água no material, além de serem mais lentos e de difícil execução,


52

possuem grande dispersão de resultados, o que seria atribuído à diversidade de

condições experimentais dos métodos de ensaio e à grande heterogeneidade do material,

assim como à variação nos critérios de obtenção dos corpos-de-prova, no que tange, por

exemplo, à faixa granulométrica, à umidade inicial e à massa especifica.

Apesar das críticas aos métodos de ensaios de avaliação da expansibilidade da escória

de aciaria, com base no ensaio de compactação, esses métodos são muito citados na

literatura (EMERY, 1984; FARRAND; EMERY, 1995; KANDHAL; HOFFMAN,

1997; MACHADO, 2000) e normalizados em vários países, como EUA e Canadá

(ASTM), Japão (JIS) e Brasil (DER-MG).

O Steam Test, único ensaio que avalia a expansibilidade, foi elaborado exclusivamente

para as escórias de aciaria e, possui comprovada coerência entre o resultado do ensaio e

o de campo e é recomendado pelo Comitê Europeu de Normalização (MOTZ;

GEISELER, 2001).

O Quadro 4.2 mostra um resumo dos principais métodos de determinação da

expansibilidade. Já o Quadro 4.3 indica os pontos fortes e fracos desses métodos.

Quadro 4.2 – Principais métodos de avaliação do potencial de expansão.

Métodos Etapas de procedimento de ensaio PTM 130

JIS A 5015/92

ASTM D 4792/00

EN 1744-1:98

Origem Brasil Japão EUA / Canadá Alemanha

Energia de compactação

proctor normal

proctor modificado proctor normal

vinculada a uma

porosidade aparente

Granulometria original especificada original especificada

Período de imersão 7 dias 10 dias 7 dias -

Temperatura de imersão 71 ± 3ºC 80 ± 3ºC 70 ± 3ºC -

Período de estufa 7 dias - - -

Temperatura de estufa 71 ± 3ºC - - -

Vapor - - - 100ºC

Limites 3% 2% 0,50% 5%


53

Quadro 4.3 – Pontos fortes e fracos dos principais métodos de avaliação do potencial de expansão.

Ensaio Pontos fortes Pontos fracos

ensaio lento falta de fundamentação científica

difícil execução

ASTM D 4792

existe normalização específica

grande dispersão de resultados

ineficácia dos resultados do CBR

ensaio lento falta de fundamentação científica

difícil execução ineficácia dos resultados do CBR

JIS 5015 ANEXO 2

existe normalização específica

grande dispersão de resultados

falta de especificação do método de cura

existe normalização específica grande dispersão de resultados

cp's e sobrecargas menores falta de fundamentação científica

PTM 130 DMA-1/DER-MG

ensaio mais simples ineficácia dos resultados do CBR

comprovada coerência entre o resultado do ensaio e o de campo STEAM

TEST método desenvolvido para escória de aciaria

depende de equipamento específico

Cap. 5 – Materiais, métodos e projeto experimental

54

5. MATERIAIS, MÉTODOS E PROJETO EXPERIMENTAL

A pesquisa é dos tipos quantitativa e qualitativa, realizada numa população de escórias

de aciaria LD de duas das principais usinas siderúrgicas brasileiras, sendo que uma

utiliza como tratamento aeração e umectação e a outra a cura ao tempo.

As etapas do projeto experimental estão descritas na Figura 5.1.

Figura 5.1 – Fluxograma do projeto experimental.

5.1 Amostragem

A amostragem das escórias de aciaria é realizada por duas das principais usinas

siderúrgicas brasileiras (Figura 5.2), de acordo com um procedimento de amostragem,

elaborado por professores da Universidade Federal do Espírito Santo (SOUZA et al.,

2003), com base em norma de amostragem de agregados, NBR NM 26:2000, norma

ambiental, NBR 10007:19871, e considerações estatísticas.

1 O documento Procedimento de Amostragem foi desenvolvido no ano de 2003, antes da revisão da NBR 10007. Entretanto, no assunto a que se refere, não houve alteração na NBR 10007:2004.

Projeto experimental

Revisão bibliográfica Amostragem

Caracterização física e

microestrutural

Avaliação do potencial de

expansão

Análise dos resultados


55

Figura 5.2 – Mapa de localização das escórias estudadas.

As amostras de escória de aciaria LD, depois de geradas, são processadas, de acordo

com o procedimento usual de cada usina, e amostradas.

Souza et al (2003) propõem a formação de pilha de escória com volume máximo de

300m3. O volume da pilha é, então, imaginariamente dividido, em três camadas com

alturas aproximadamente iguais, das quais são retiradas amostras na superfície, no meio

e na base, conforme a Figura 5.3. São retiradas amostras eqüidistantes, de diferentes

regiões e profundidades, de cada camada, abrangendo toda a área horizontal da pilha, ou

seja, de cada camada é retirado um volume proporcional à área da camada, conforme a

Figura 5.4, resultando em, no mínimo, 30 amostras parciais de aproximadamente 50 kg

cada. Essas amostras formam uma pilha e devem ser homogeneizadas, para a posterior

formação de uma pilha de 1500kg. Essa pilha de 1500kg é novamente homogeneizada

para a formação da pilha tronco de cone, para o quarteamento.

Usina 2

Usina 1


56

Figura 5.3 – Seção transversal da pilha de amostragem (SOUZA et al., 2003).

Figura 5.4 – Esquema da amostragem em camadas (SOUZA et al., 2003).

As amostras parciais são coletadas com uma pá de bico, de modo a evitar-se a

segregação de grãos maiores, sendo necessário o auxílio de uma retroescavadeira, para

que sejam feitas cavidades de acesso às camadas inferiores (SOUZA et al., 2003).

As amostras parciais são dispostas em uma superfície limpa, dura e plana, para

homogeneização e posterior formação da pilha tronco de cone, para o quarteamento,

onde não deve ocorrer perda de material e nem contaminação por elementos estranhos.

Amostragem na superfície

Amostragem na base

Amostragem no meio

Posição para retirada das amostras

Altura aproximada

2,0m


57

Após homogeneizadas e quarteadas, as amostras parciais formam a amostra de campo,

com aproximadamente 750kg. Na Figura 5.5 tem-se o esquema geral do procedimento

de amostragem (SOUZA et al., 2003).

Figura 5.5 – Esquema geral do procedimento de amostragem (SOUZA et al., 2003).

Após a amostragem das escórias não tratadas, as usinas mantêm as pilhas de escória e

realizam tratamento usual de cada siderúrgica, por determinado período de tempo,

também estipulado pela usina e, então, é realizada outra amostragem das escórias de

aciaria tratadas, seguindo também as orientações do procedimento de amostragem de

Souza et al. (2003).

5.1.1 Amostragem da escória 01

A escória 01 é proveniente de uma usina siderúrgica situada em Ipatinga/MG. A

geração é iniciada em 28/07/03, de um total de 249 corridas. A escória é resfriada com

água, num período de 24h, e separada, por peneiramento, às 08:00h do dia 06/08/03.

A amostragem da escória 01 não tratada é iniciada às 08:00h do dia 11/08/03, de acordo

com o procedimento de amostragem definido por Souza et al. (2003). A pilha de

amostragem possui diâmetro de 20m e altura de 2m. Depois, é realizada a

homogeneização das amostras parciais e formada a pilha de tronco de cone, para

Amostragem

nas 3

camadas

Amostra de

750 kg ou

400 l

Homogeneização

Quarteamento

Pilha tronco de cone

Formação

da pilha

Formação de uma pilha e

homogeneização das amostras parciais.

Formação da pilha de 1500 Kg


58

quarteamento. A amostragem é realizada num dia ensolarado, em local coberto, em

superfície plana, dura e limpa.

A usina mantém uma pilha de escória de aciaria, para estudo do tratamento ao tempo,

por período de 6 meses (amostra tratada por 6 meses) e 12 meses (amostra tratada por

12 meses).

A amostragem da escória de aciaria 01, tratada por 6 meses, é realizada às 14:00 do dia

13/02/04, de acordo com o procedimento de amostragem de Souza et al. (2003). A pilha

de amostragem possui diâmetro de 6m e altura de 1,7m. Depois, é realizada a


quarteamento. A amostragem é realizada num dia ensolarado, em local descoberto, em


A amostragem da escória de aciaria 01, tratada por 12 meses, é realizada às 14:00 do dia

03/08/04, de acordo com o procedimento de amostragem de Souza et al. (2003). A pilha

de amostragem possui diâmetro de 2m e altura de 0,7m. Depois, é realizada a


quarteamento. A amostragem é realizada num dia ensolarado, em local descoberto, em


5.1.2 Amostragem da escória 02

A escória 02 é proveniente de uma usina siderúrgica situada em Vitória/ES e, é gerada

no período de 31/07/03 a 08/08/03, de um total de 421 corridas. A escória é basculada

em baias e resfriada com jatos d’água, é britada das 07:00h de 16/08/03 até 09:00h de

17/08/03, com britador de mandíbulas.

A amostragem da escória 02, não tratada, é realizada de 09:00 a 13:00h do dia 18/08/03,

seguindo orientações do procedimento de amostragem de Souza et al. (2003). A pilha de

amostragem possui 3 camadas trapezoidais de 15m x 15m x 0,50m. Depois, é realizada

a homogeneização das amostras parciais e formada a pilha de tronco de cone com

1500kg, para quarteamento. A amostragem é realizada num dia ensolarado, em local

descoberto, em superfície plana, dura e limpa.

A usina mantém uma pilha de escória de aciaria para estudo do tratamento de aeração e

umectação.


59

A amostragem da escória de aciaria, tratada por 1 mês, é realizada de 13:00 às 18:00h

do dia 05/12/03, seguindo orientações do procedimento de amostragem de Souza et al.

(2003). A pilha de amostragem possui 1 camada em forma de leiras de perfil trapezoidal

de 27m x 21m x 0,40m,. Depois, é realizada a homogeneização das amostras parciais e

formada a pilha de tronco de cone com 1500kg, para quarteamento. A amostragem é

realizada num dia ensolarado, em local descoberto, em superfície plana, dura e limpa.

5.1.3 Quarteamento das amostras

Ao chegar ao Laboratório de Ensaios de Materiais de Construção da Universidade

Federal do Espírito Santo, as amostras são identificadas, pesadas, homogeneizadas e

quarteadas, conforme a norma de redução da amostra de campo para os diversos ensaios

especificados (NBR NM 27:2000). Depois, são coletadas amostras parciais para cada

ensaio de caracterização (Figura 5.6).

(a) (b)Figura 5.6 – (a) Formação de cinco montes e (b) coleta de amostra parcial para formar

pilha de homogeização.

5.2 Tratamentos das escórias de aciaria

5.2.1 Escória de aciaria 01

A escória de aciaria 01 é tratada ao tempo, por período de 06 meses e 12 meses. Neste

tipo de tratamento, a escória de aciaria fica exposta ao tempo, com molhagem ocasional

e sujeita a intempérie.


60

5.2.2 Escória de aciaria 02

A escória de aciaria 02 também é tratada ao tempo, com molhagem e aeração da pilha

de escória por um período de 1 mês e exposição ao tempo por mais 3 meses.

5.3 Caracterização física da escória de aciaria

A caracterização das escórias de aciaria das amostras não tratadas e tratadas é realizada

pelos seguintes ensaios físicos: granulometria, massa específica, absorção, abrasão Los

Angeles, esmagamento, massa unitária, massa unitária compactada e umidade (Quadro

5.1). Estes ensaios são realizados no Laboratório de Ensaios de Materiais de Construção

– LEMAC, do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, com base

nas respectivas normas da Associação Brasileira de Normas Técnicas e são importantes,

principalmente, na verificação de características da resistência do material para

utilização em pavimentação.

Quadro 5.1 – Ensaios de caracterização física utilizados, com as respectivas normas.

Norma técnica Ensaio NBR NM 248/01 Granulometria

NBR 9937/87 NBR 9776/87

Massa específica real

NBR 9937/87 Absorção NBR NM 51/00 Abrasão Los Angeles NBR 9938/87 Esmagamento NBR 7251/82 Massa unitária NBR 7810/83 Massa unitária compactada

Desenvolvido pelo LEMAC Umidade

Os ensaios realizados são específicos para agregados naturais, no entanto, o

Departamento Nacional de Estradas de Rodagem, no documento Escórias de aciaria

para pavimentos rodoviários (DNER-EM 262/94) estabelece que os parâmetros abrasão

Los Angeles, absorção, massa específica de agregado graúdo, granulometria e massa

unitária, devem ser determinados pelas normas de ensaios acima citadas.

Os resultados da caracterização física são analisados por meio de estatística descritiva e

inferência estatística.


61

5.3.1 Granulometria

A granulometria é realizada de acordo com a NBR NM 248/01. O ensaio consiste em

secar as amostras e determinar suas massas. Utilizando as peneiras encaixadas, com

aberturas de malha em ordem crescente da base para o topo, a amostra é colocada na

peneira superior e é promovida a agitação mecânica do conjunto. O material retido em

cada peneira é removido e é determinada sua respectiva massa, bem como a massa

retida no fundo, observando o prescrito no método de ensaio.

A granulometria permite determinar a dimensão máxima característica e o módulo de

finura do agregado, bem como fazer sua classificação de graduação.

A norma DNER EM 262/94 especifica, para escórias de aciaria utilizadas em

pavimentos rodoviários, que a composição granulométrica das escórias, para bases e

sub-bases, deve manter a proporção de 40% na faixa menor que 12,7mm e de 60% na

faixa de 12,7 a 50,8mm de abertura nominal e deve atender a granulometria de projeto.

5.3.2 Massa específica

A massa específica do agregado graúdo é determinada de acordo com o método

prescrito pela NBR 9937/87. O agregado graúdo é lavado completamente, para que

ocorra a remoção de pó e seco em estufa. Em seguida, é submergido em água, por um

período de (24±4)h, e retirado da água, envolvido em um pano absorvente, para eliminar

a água livre visível, e pesado novamente. O material, em seguida, é colocado em um

recipiente, submergido e é medida a sua massa imersa. A massa específica aparente seca

do agregado graúdo é determinada pelo quociente da massa do material seco, pelo seu

volume aparente, sendo este composto pelo volume do material, incluindo os volumes

dos poros permeáveis e impermeáveis.

A massa específica real do agregado graúdo é determinada pelo quociente da massa do

material seco pelo seu volume, considerando neste, o volume do material e dos poros

impermeáveis. A massa específica real do agregado total é uma média ponderada da

massa específica real do agregado miúdo e do graúdo, considerando os percentuais da

fração graúda e miúda, determinada pela composição granulométrica.

A massa específica aparente saturada superfície seca do agregado graúdo é determinada

pelo quociente da massa do material saturado com superfície seca pelo seu volume


62

aparente, composto pelo volume do material, incluindo os volumes dos poros

permeáveis e impermeáveis.

A massa específica do agregado miúdo é determinada de acordo com o método prescrito

pela NBR 9776/87. O agregado miúdo é seco em estufa, até massa constante. O frasco

especificado pela norma, denominado frasco de Chapmam, é preenchido com água, até

a marca de 200cm³, e mantido em repouso. Em seguida, é introduzida, no frasco, a

quantidade de 500g de agregado miúdo seco (Figura 5.7), agitando-se o frasco, para

eliminação de bolhas de ar. A leitura do nível atingido pela água no gargalo do frasco

indica o volume, em cm³, ocupado pelo conjunto água-agregado miúdo. Essa medida

diminuída do volume de 200cm³, da marca de água inicial, representa o volume real do

material.

Figura 5.7 – Preenchimento do frasco de Chapmam com amostra de escória.

A massa específica real do agregado miúdo é dada pelo quociente da massa do material

seco pelo volume real do material.

A massa específica é uma característica física que determina a massa do material por

unidade de volume. Para materiais utilizados em pavimentação, massas específicas

elevadas trazem maior confinamento para as camadas inferiores, melhorando, por

exemplo, no caso de sub-base, as condições do leito, propiciando-lhe maior resistência e

reduzindo a compressibilidade e o desgaste. É importante ressaltar que massas

específicas muito elevadas podem ser problemáticas, com relação ao custo do

transporte, uma vez que a carga dos veículos, destinados a este fim, é limitada.


63

5.3.3 Absorção

A absorção do agregado graúdo é determinada de acordo com o método prescrito pela

NBR 9937/87. O agregado graúdo é lavado completamente, para que ocorra a remoção

de pó da superfície. Em seguida, é seco em estufa até massa constante, e resfriado à

temperatura ambiente e pesado. A seguir, depois de submergido em água por um

período de (24 ± 4)h, o material é retirado da água, envolvido em um pano absorvente,

para eliminar a água livre superficial visível e então pesado. A absorção é dada pela

diferença entre a massa do material na condição saturado superfície seca e a massa do

material seco, dividida pela massa do material seco, em porcentagem.

A absorção indica a quantidade de água nos poros permeáveis da amostra. Elevados

índices de absorção podem propiciar maior deterioração do material.

5.3.4 Abrasão Los Angeles e esmagamento

A abrasão Los Angeles é determinada de acordo com o método prescrito pela NBR NM

51/00. Primeiramente, adota-se a graduação do ensaio (A, B, C, D, E, F ou G), que deve

ser representativa, em relação à granulometria do material. O Quadro 5.2 mostra as

massas das respectivas graduações, assim como o número de rotações do tambor e o

número de esferas.

Em seguida, o material é lavado e seco em estufa e, de acordo com a graduação da

amostra, é peneirado e pesado nas frações definidas pela norma (Quadro 5.2) e colocado

juntamente com a carga abrasiva, dentro do tambor cilíndrico da Máquina Los Angeles.

O equipamento é acionado e o tambor gira determinado número de rotações,

dependendo da graduação do material (Quadro 5.2). Em seguida, retira-se o material

(Figura 5.8) e este é passado na peneira com abertura de malha de 1,7mm. A fração

retida nessa peneira é lavada, seca em estufa e pesada.

O índice de abrasão Los Angeles é calculado pela diferença entre a massa inicial seca e

a massa final lavada retida, na peneira de malha 1,7mm, e seca em relação à massa

inicial, em porcentagem.


64

Quadro 5.2 – Graduação e carga abrasiva para o ensaio Los Angeles (adaptado de NBR NM51, 2000).

Peneiras Aberturas em

mm Amostra – Graduação para ensaio

Passando em

Retido em

Grad. A

Grad. B

Grad. C

Grad. D

Grad. E

Grad. F

Grad. G

76 63 - - - - 2500±50 - -

63 50 - - - - 2500±50 - -

50 38 - - - - 5000±50 5000±50 -

38 25 1250±25 - - - - 5000±25 5000±25

25 19 1250±25 - - - - - 5000±25

19 12,5 1250±10 2500±10 - - - - -

12,5 9,5 1250±10 2500±10 - - - - -

9,5 6,3 - - 2500±10 - - - -

6,3 4,8 - - 2500±10 - - - -

4,8 2,4 - - - 5000±10 - - -

Massas totais em gramas

5000±10 5000±10 5000±10 5000±10 10000 ±100

10000 ±75

10000 ±50

Nº de rotações do tambor

500 500 500 500 1000 1000 1000

Número de esferas 12 11 8 6 12 12 12

Figura 5.8 - Máquina de abrasão Los Angeles, e carga abrasiva e material retirado ao

final das rotações.


65

A abrasão Los Angeles é a porcentagem de perda, por abrasão, em relação à sua massa

inicial seca, e representa a resistência mecânica do material ao desgaste, promovido pelo

atrito recíproco do material e da carga abrasiva, na máquina Los Angeles. O

conhecimento dessa característica do material é fundamental para utilização do mesmo

em pavimentação, pois mostra a capacidade de resistir às solicitações dinâmicas de

tráfego, sem sofrer desgaste e esmagamento dos grãos.

O índice de esmagamento é determinado de acordo com o método prescrito pela NBR

9938/87. A quantidade de material utilizada nesse ensaio corresponde àquela que passar

na peneira de abertura de malha igual a 12,5mm e que contenha 10kg retidos na peneira

de abertura de malha igual a 9,5mm. Esse material é seco em estufa, esfriado até a

temperatura ambiente, peneirado novamente, por meio das peneiras 12,5mm e 9,5mm e,

com essa fração de material, enche-se um recipiente cilíndrico. Em seguida, determina-

se a massa do material que preenche o cilindro. Repete-se o procedimento de

preenchimento, em outro cilindro de teste, com o mesmo material. Um êmbolo é

inserido no cilindro de ensaio e, logo após, o conjunto é colocado no prato inferior da

máquina de ensaio, onde aplica-se uma carga de 400kN, uniformemente, com

velocidade definida. Após aplicar a carga total, o conjunto é retirado da máquina de

ensaio e todo o material contido no cilindro é removido para uma bandeja limpa. Este

material é passado na peneira de abertura de malha igual a 2,4mm e é determinada a

massa do material retido lavado e seco. O índice de esmagamento é determinado pelo

percentual de material fragmentado por esmagamento, em relação à sua massa inicial

seca. Neste caso, o índice de esmagamento representa uma resistência mecânica do

material, quando submetido a uma carga que origina tensões de contato entre os grãos e

gera a fragmentação dos mesmos. Para a utilização em pavimentação, essa característica

tem importância também relacionada à capacidade de resistir às solicitações dinâmicas

de tráfego e sofrer desgaste e esmagamento dos grãos.

5.3.5 Massa unitária e massa unitária compactada

A massa unitária do agregado em estado seco é determinada de acordo com o método

prescrito pela NBR 7251/82. A quantidade de material deve ser, pelo menos, o dobro do

volume do recipiente com forma de paralelepípedo. O recipiente é cheio e a superfície

do agregado é regularizada, de modo a compensar as saliências e reentrâncias. O

recipiente é pesado com o material nele contido.


66

A massa do agregado solto é a diferença entre a massa do recipiente cheio e a massa do

recipiente vazio. A massa unitária é a relação entre a massa seca do material lançado no

recipiente e o volume deste recipiente. A massa unitária é utilizada para transformações

de unidades de massa seca para volume de material seco.

A massa unitária do agregado em estado compactado seco é determinada de acordo com

o método prescrito pela NBR 7810/83. Este ensaio segue o mesmo procedimento da

massa unitária no estado solto, porém o recipiente utilizado possui forma cilíndrica e

deve ser preenchido em três camadas compactadas com 25 golpes cada (Figura 5.9). A

massa do agregado compactado é a diferença entre a massa do recipiente cheio e a

massa do recipiente vazio. A massa unitária compactada consiste na relação entre a

massa seca do material lançado e compactado em um recipiente e o volume deste

recipiente. A massa unitária compactada é um parâmetro que auxilia na determinação de

uma melhor composição de agregados graúdos.

Para a utilização em pavimentação, massas unitárias elevadas também estão

relacionadas a problemas de custo do transporte, uma vez que a carga dos veículos,

destinados a este fim, é limitada, necessitando mais viagens.

Figura 5.9 – Compactação da amostra para realização do ensaio de massa unitária em

estado compactado.


67

5.3.6 Umidade

A umidade é determinada pela massa de água presente no material, em relação a sua

massa seca. A umidade representa o percentual de água presente no material em

determinado instante, em relação à sua massa seca (Figura 5.10).

(a) (b)Figura 5.10 - (a) Material disposto na estufa para secagem e (b) pesagem do material

seco

Essa característica é determinada nas amostras de escória de aciaria, logo após sua

chegada ao laboratório, a fim de conhecer o estado de umidade inicial dessas amostras,

quando recebidas.

5.3.7 Análise estatística dos ensaios físicos

A estatística descritiva é aplicada a alguns índices físicos: massa específica real do

agregado miúdo, esmagamento, massa unitária, massa unitária compactada e umidade.

Esta análise estatística mostra o número de determinações, o valor máximo, o valor

mínimo, a média e o desvio padrão.

O efeito do tratamento sobre as variáveis massa unitária e massa unitária compactada é

analisado pela inferência estatística. Neste caso, é utilizado o teste de hipótese não

paramétrico de Mann-Whitney, para verificar se existem diferenças estatisticamente

significantes.

5.4 Caracterização da microestrutura da escória de aciaria

A caracterização da microestrutura da escória de aciaria é feita por meio de análise

química, microscopia eletrônica de varredura e difração de raios X.


68

A análise química utiliza os métodos de complexometria, colometria e absorção atômica

e é realizada na Associação Brasileira de Cimento Portland (ABCP). A microscopia

eletrônica de varredura é realizada no Laboratório de Caracterização Microestrutural do

Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina, com

o equipamento XL 30 Philips. A difração de raios X é realizada no Departamento de

Engenharia de Minas da Universidade Federal de Minas Gerais com o equipamento

Philips PN3710.

O início da preparação das amostras, para realização da caracterização microestrutural,

consiste na seleção de grãos que apresentam diferenças, como cor e porosidade

aparente. Para realização da MEV, são extraídos fragmentos com dimensões

compatíveis com a câmara do microscópio. Já para a análise química e DRX, os grãos

selecionados são moídos em um moinho pulverizador, até uma graduação, de

preferência, menor ou igual a do cimento (75µm).

5.4.1 Análise química

As amostras são analisadas quimicamente por complexometria (perda ao fogo, dióxido

de silício, óxido de alumínio, óxido de ferro, óxido de cálcio, óxido de magnésio,

anidrido sulfúrico, óxido de sódio, óxido de potássio, ferro metálico e óxido de cálcio

livre) e por absorção atômica (anidrido fosfórico).

5.4.2 Microscopia eletrônica de varredura (MEV)

O equipamento de MEV emite elétrons secundários e elétrons retroespalhados. Os

eletros secundários permitem a visualização de detalhes topográficos muito pequenos,

evidências de segregações e contaminações e identificação de fases cristalinas e

amorfas, com o auxílio do EDS (Energy dispersive spectrometry ou espectrometria a

energia dispersiva). Já os elétrons retroespalhados são mais utilizados quando se faz

necessária uma análise de imagem com distribuição dos elementos por meio do EDS.

Foram utilizados os elétrons secundários, uma vez que a definição da imagem é muito

importante para a identificação dos componentes das escórias.

É necessária a presença de um operador experiente na realização da MEV, já que a

interpretação do espectro resultante da análise pode ser difícil, devido ao empilhamento

de raios de diferentes elementos (como o alumínio com a prata e o ouro com o enxofre,

entre outros) e à irregularidade da superfície, pois os raios podem estar incidindo sobre


69

os bordos da depressão, em vez de sobre o fundo, que está sendo focalizado (RIBAS

SILVA, 1996).

5.4.3 Difração de raios X (DRX)

O princípio de que todo material cristalizado pode ser caracterizado pelo ângulo

definido pelo feixe de raios-X difratado através dele, torna a difração de raios-X uma

importante forma de identificação de compostos cristalinos.

Essa identificação, dos diferentes componentes cristalizados, é obtida por meio da lei de

Bragg (Equação 5.1), que determina a distância inter-reticular do cristal, em função do

ângulo de difração θ, registrado por um difratômetro.

n . λ = 2d . sen θ Equação 5.1

onde, d = distância dos planos reticulados; θ = ângulo de difração; n = número inteiro

e λ = comprimento de onda do feixe incidente.

O difratômetro de raios-X é composto por uma fonte de elétrons, proveniente de um

filamento de tungstênio, e um ânodo ou cátodo de metal (cobalto, cobre, molibdênio ou

ferro), que fornece o comprimento de onda (λ). Com ângulos encontrados pode-se

identificar as fases cristalinas, por meio de comparação com fichas da ASTM, livro

específico (PARFENOFF et al., 1970) e sites especializados (WEBMINERAL, 2005;

MINDAT, 2005). Os compostos são identificados quando existe coincidência de alguns

raios principais.

A simplicidade de execução, a rapidez, a quantidade reduzida de material necessária e a

distinção de diversos cristais de mesma natureza, como por exemplo a calcita, a vaterita

e a aragonita (todos associados à fórmula CaCO3) são algumas das vantagens da

difração de raios-X. Porém, esta técnica não é uma análise quantitativa, e não detecta

componentes com estruturas mal cristalizadas (DELOYE, 1986; RIBAS SILVA, 1996).

5.5 Avaliação da expansibilidade

5.5.1 Steam Test – ensaio a vapor

O ensaio de determinação do potencial de expansão adotado, para as amostras de

escória de aciaria não tratadas e tratadas, é o método do Steam Test, ou ensaio a vapor.

O ensaio é realizado no LEMAC – Laboratório de Ensaios de Materiais de Construção


70

Civil, na Universidade Federal do Espírito Santo, com o equipamento Steam Test,

conforme norma EN 1744-1:1998. É importante ressaltar que, devido a problemas na

importação do equipamento Steam Test, as amostras permanecem armazenadas no

laboratório por pelo menos 2 anos, antes da realização do ensaio.

A amostra de escória de aciaria é seca em estufa a 110±5°C até obter massa constante.

Em seguida, procede-se o peneiramento, para se obter a granulometria especificada na

norma, de 0 a 22mm, destinada a compor a parábola de Fuller (Quadro 5.3). Conforme

a norma, o número mínimo de corpos-de-prova necessário para determinação da

expansão, é dois e a quantidade de material requerida para cada amostra individual é 4,5

kg.

Quadro 5.3 – Proporção de massa por granulometria (EN 1744-1:1998)

Tamanho (mm) Porcentagem em massa

0 a 0,5 15

0,5 a 2 15

2 a 5,6 19

5,6 a 8 10

8 a 11,2 11

11,2 a 16 15

16 a 22 15

Total 100

Após peneiramento e pesagem da escória, a amostra deve ser preparada, como segue

abaixo:

• Cobrir a base perfurada do cilindro de ensaio com papel filtro circular;

• Colocar a amostra de 4,5 kg de escória de aciaria no cilindro de ensaio;

• Compactar a amostra com energia do proctor normal, utilizando o soquete

padrão, com o objetivo da escória de aciaria atingir uma porosidade aparente em

torno de 25%;

• Determinar o volume do corpo-de-prova de escória, VS, que é a diferença entre

o volume do cilindro de ensaio, VC, e o volume de ar, VA, que é o volume entre

a superfície da escória compactada no cilindro de ensaio e o topo deste cilindro;


71

• Cobrir a superfície da escória com outro papel filtro;

• Colocar, sobre o papel filtro, esferas de vidro que devem ser lubrificadas com

óleo de silicone para reduzir o atrito entre elas.

A norma para realização do ensaio, EN 1744-1:1998, cita a porosidade aparente (void

content) prática de 20 a 25%, para a amostra compactada. Para atingir esta porosidade, a

norma sugere que seja utilizada compactação dinâmica no corpo-de-prova seco em

mesa vibratória, com uma carga estática. De forma alternativa, sugere também que a

amostra possa ser compactada por qualquer outro método capaz de atingir o mesmo

grau de compactação tal como soquete Proctor ou qualquer outro soquete manual.

Neste estudo é realizado teste piloto de compactação em escória de aciaria, utilizando

procedimento manual com soquete Proctor normal. A partir do resultado de massa

específica real, do peso da amostra (4,5kg) e da porosidade aparente de 25%, é

calculado o volume compactado desejável. Com este volume, é calculado o número de

golpes para atingir a energia de Proctor normal, fixando o número de camadas (1), a

altura de queda do soquete (30,5cm), o peso do soquete (2,5kg) e a energia de proctor

normal (60N), que é de 150. Na compactação piloto, a porosidade aparente não atinge

25%. No entanto, observa-se que a partir do 100º golpe ocorre apenas um re-arranjo dos

grãos com aumento da porosidade ao final do 150º golpe.

Nas amostras deste estudo, o número de golpes para compactação é padronizado em

150, em uma só camada, para facilitar o procedimento de ensaio e fixar a energia em

torno da energia de Proctor normal. Na compactação, é utilizado um disco de madeira

sobre a escória, para evitar perda de material, e a compactação é feita com soquete

manual.

Depois de compactada a amostra, o cilindro de ensaio é encaixado e ajustado no

equipamento e, então, coloca-se uma chapa perfurada e uma sobrecarga sobre as esferas

de vidro. A seguir, é fixado o indicador digital, que mede o deslocamento vertical da

amostra, em um suporte rígido do equipamento. Este indicador digital é conectado a um

sistema de aquisição de dados, que transfere para o computador os deslocamentos

verticais da camada de escória de aciaria. O programa, então, calcula a expansão, em

relação ao volume inicial, e fornece uma curva típica da expansibilidade da amostra;

esta curva inicialmente tem uma alta taxa de aumento de volume e, depois, esta taxa

diminui.


72

Antes de iniciar o ensaio, deve-se programar o equipamento com o tempo de ensaio e, o

computador, com os dados de massa específica real da amostra, tempo de ensaio, peso,

volume e umidade (como a amostra é seca em estufa, sua umidade é 0%) da amostra.

A Figura 5.11 mostra o equipamento Steam Test, com dois corpos de prova preparados e

instalados nos compartimentos de geração de vapor, e com os indicadores digitais

fixados.

Figura 5.11 – Equipamento Steam Test.

Após iniciar o aquecimento, na câmara de vapor, o corpo-de-prova de escória começa

então a ser aquecido pela passagem do calor. O registro, no sistema de aquisição de

dados, dos movimentos de subida, associados ao aquecimento, somente é iniciado após

a observação da livre percolação do vapor pela amostra. Devido à perda de água por

meio do vapor, o equipamento do Steam Test é abastecido por uma rede pressurizada.

A norma EN 1744-1:1998 cita um período de ensaio de 24 horas para escórias LD e 168

horas para escórias EAF. Porém, a norma EN 13242:2002 cita que o tempo de ensaio

necessário, para a estabilização da escória de aciaria, varia com o tipo de escória e o teor

de MgO. No caso das escórias LD com baixo teor de MgO (menor que 5%) é 24 horas,

já para aquelas com alto teor de MgO, o tempo aumenta para 168 horas. Silva et al.

(2006) confirmaram, em um estudo sobre avaliação da expansibilidade de escórias de

aciaria brasileiras, a necessidade de se prolongar os ensaios neste tipo de escória para

168 horas.

Considerando as pesquisas acima citadas, conclui-se que, é necessária a realização do

ensaio por 24 horas e por 168 horas para comparação dos resultados. Para investigar os


73

efeitos das repetições no ensaio Steam Test, sobre as escórias brasileiras, são ensaiados

5 corpos-de-prova da amostra não tratada da Usina 1. No restante das amostras, o

número de corpos-de-prova ensaiados é 2, definido segundo a norma EN 1744-1:1998.

O limite de aceitação adotado é de 5%, categoria VA, segundo Motz e Geiseler (2001),

ou seja, para categoria de utilização mais nobre.

Cap. 6 - Apresentação e discussão dos resultados

74

6. APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS

6.1 Caracterização física da escória de aciaria

Paro os ensaios de caracterização física, são atendidas as especificações de repetições

mínimas estabelecidas pelas respectivas normas de caracterização de agregados.

6.1.1 Granulometria

A Figura 6.1 e a Figura 6.2 mostram as curvas granulométricas das amostras não

tratadas e tratadas das Usinas 1 e 2, adquiridas a partir da NBR NM 248/01.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

38 32 25 19 12,5 9,5 6,3 4,8 2,4 1,2 0,6 0,3 0,15

Peneiras

% R

etid

a ac

umul

ada

Não tratada

Tratada (6 meses)

Tratada (12 meses)

Usina 1

Tratamento ao tempo:

Figura 6.1 – Curva granulométrica da Usina 1.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

38 32 25 19 12,5 9,5 6,3 4,8 2,4 1,2 0,6 0,3 0,15

Peneiras

% R

etid

a ac

umul

ada

Não tratadaTratada (1 mês)

Usina 2

Tratamento ao tempo com molhagem e aeração:

Figura 6.2 – Curva granulométrica da Usina 2.


75

O Quadro 6.1 mostra o módulo de finura e as dimensões máximas características das

amostras, calculados a partir do ensaio de granulometria.

Quadro 6.1 – Módulo de finura e dimensão máxima característica das amostras

Escória Amostra Módulo de finura Dimensão máxima característica

Não tratada 4,37 19

Tratada (6 meses) 5,15 25 Usina 1 – tratamento ao

tempo Tratada

(12 meses) 5,27 25

Não tratada 4,92 19 Usina 2 – tratamento ao

tempo, com molhagem e aeração Tratada

(1 mês) 3,55 19

6.1.2 Massa específica

O Quadro 6.2 apresenta a massa específica aparente seca do agregado graúdo das

amostras de escória de aciaria não tratadas e tratadas, definida segundo a NBR 9937/87.

A Figura 6.3 e a Figura 6.4 mostram, respectivamente, a massa específica aparente seca

do agregado graúdo das amostras de escória de aciaria LD das Usinas 1 e 2.

Quadro 6.2 – Massa específica aparente seca (NBR 9937/87)

Escória Amostra Massa específica

aparente seca (kg/dm3)

Não tratada 3,51

Tratada (6 meses) 3,35 Usina 1 – tratamento ao tempo

Tratada (12 meses) 3,18

Não tratada 3,40 Usina 2 – tratamento ao tempo, com

molhagem e aeração Tratada (1 mês) 3,31


76

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

Usina 1

Mas

sa e

spec

ífica

apa

rent

e se

ca (k

g/dm

³)

Não tratada

Tratada (6 meses)

Tratada (12 meses)

Figura 6.3 - Massa específica aparente seca das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1.

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

Usina 2Mas

sa e

spec

ífica

apa

rent

e se

ca (k

g/dm

³)

Não tratada

Tratada (1 mês)

Figura 6.4 – Massa específica aparente seca das amostras de escória de aciaria LD da

Usina 2.

O Quadro 6.3 apresenta a massa específica aparente saturada superfície seca do

agregado graúdo das amostras de escória de aciaria não tratadas e tratadas, definida

segundo a NBR 9937/87. A Figura 4.5 e a Figura 4.6 mostram, respectivamente, a




77

massa específica aparente seca do agregado graúdo das amostras de escória de aciaria

LD das Usinas 1 e 2.

Quadro 6.3 – Massa específica aparente saturada superfície seca (NBR 9337/87)

Escória Amostra Massa específica

aparente saturada superfície seca (kg/dm3)

Não tratada 3,55





0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

Usina 1Mas

sa e

spec

ífica

apa

rent

e sa

tura

dasu

perfí

cie

seca

(kg/

dm³)

Não tratadaTratada (6 meses)

Tratada (12 meses)

Figura 6.5 – Massa específica aparente saturada superfície seca das amostras de escória de

aciaria LD da Usina 1.



78

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

Usina 2

Mas

sa e

spec

ífica

apa

rent

e sa

tura

da s

uper

fície

sec

a(k

g/dm

³)

Não tratada

Tratada (1 mês)

Figura 6.6 – Massa específica aparente saturada superfície seca das amostras de escória de

aciaria LD da Usina 2.

A norma do Departamento Nacional de Estradas de Rodagem, DNER-EM 262 – 1994,

limita a massa específica real do agregado graúdo na faixa de 3 a 3,5 kg/dm³, para

aceitação da escória de aciaria a ser utilizada em camadas de pavimentos.

A Tabela 6.1 apresenta a massa específica real do agregado miúdo das amostras de

escória de aciaria não tratadas e tratadas, definida segundo a NBR 9776/87. A Figura

6.7 e a Figura 6.8 mostram, respectivamente, a massa específica do agregado miúdo das

amostras de escória de aciaria LD das Usinas 1 e 2.

Tabela 6.1 – Massa específica real do agregado miúdo (kg/dm3) (NBR 9776/87)

Escória Amostra n Mínimo Máximo Média Desvio Padrão

Não tratada 2 3,36 3,37 3,37 0,01

Tratada (6 meses) 2 3,17 3,17 3,17 0,00 Usina 1 – tratamento

ao tempo Tratada

(12 meses)

2 3,26 3,26 3,26 0,00

Não tratada 2 3,35 3,37 3,36 0,01 Usina 2 – tratamento

ao tempo, com molhagem e aeração Tratada

(1 mês) 2 3,11 3,12 3,12 0,01



79

Obs.: n é o número de repetições.

3

3,1

3,2

3,3

3,4

Usina 1Mas

sa e

spec

ífica

agr

egad

o m

íudo

(kg/

dm³)

Não TratadaTratada (6 meses)Tratada (12 meses)

Figura 6.7 - Massa específica do agregado miúdo da Usina 1.

3

3,1

3,2

3,3

3,4

Usina 2

Mas

sa e

spec

ífica

agr

egad

o m

íudo

(kg/

dm³)

Não Tratada

Tratada (1mês)

Figura 6.8 - Massa específica do agregado miúdo da Usina 2.

O Quadro 6.4 apresenta a massa específica real do agregado das amostras de escória de

aciaria não tratadas e tratadas, estabelecida pela ponderação dos parâmetros massa

específica real do agregado graúdo e massa específica real do agregado miúdo em

relação a composição granulométrica. A Figura 6.9 e a Figura 6.10 mostram,

respectivamente, a massa específica real do agregado das amostras de escória de aciaria





80

Quadro 6.4 – Massa específica real do agregado (NBR 9776/87, NBR 9937/87 e NM248/01)

Escória Amostra Massa específica (kg/dm3)

Não tratada 3,48





3,00

4,00

Usina 1

Mas

sa e

spec

ífica

(kg/

dm³)

Não tratadaTratada (6 meses)Tratada (12 meses)

Figura 6.9 – Massa específica das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1.



81

3,00

4,00

Usina 2

Mas

sa e

spec

ífica

(kg/

dm³)

Não tratada

Tratada (1 mês)

Figura 6.10 – Massa específica das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2.

6.1.3 Absorção

O Quadro 6.5 apresenta o índice de absorção das amostras de escória de aciaria não

tratadas e tratadas, definido segundo a NBR 9937/87. A Figura 6.11 e a Figura 6.12

mostram, respectivamente, o índice de absorção das amostras de escória de aciaria LD

das Usina 1 e 2.

Quadro 6.5 – Índice de absorção (NBR 9937/87)

Escória Amostra Absorção (%)

Não tratada 0,9



Não tratada 1,2 Usina 2 – tratamento ao tempo, com molhagem e

aeração Tratada (1 mês) 1,7



82

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Usina 1

Abs

orçã

o (%

)

Não tratadaTratada (6 meses)

Tratada (12 meses)

Figura 6.11 - Absorção das amostras de escória de aciaria da Usina 1

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Usina 2

Abso

rção

(%)

Não tratada

Tratada (1 mês)

Figura 6.12 - Absorção das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2

6.1.4 Abrasão Los Angeles e esmagamento

O Quadro 6.6 apresenta o índice de abrasão Los Angeles das amostras de escória de

aciaria não tratadas e tratadas, definido segundo a NBR NM 51/00. A graduação das

amostras, tanto da Usina 1, quanto da Usina 2, é B, então foram realizadas 500 rotações

do tambor com 11 esferas. A Figura 6.13 e a Figura 6.14 mostram, respectivamente, o

índice de abrasão Los Angeles das amostras de escória de aciaria LD das Usinas 1 e 2.




83

Quadro 6.6 – Abrasão Los Angeles das amostras (NBR NM 51/00)

Escória Amostra Abrasão Los Angeles AB (%)

Não tratada 11,9





0

5

10

15

20

25

Usina 1

Abr

asão

"Los

Ang

eles

" (%

)


Figura 6.13 – Abrasão Los Angeles das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1.

0

5

10

15

20

25

Usina 2

Abra

são

"Los

Ang

eles

" (%

)

Não tratada

Tratada (1 mês)

Figura 6.14 – Abrasão Los Angeles das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2.




84

A Tabela 6.2 apresenta o índice de esmagamento das amostras de escória de aciaria não

tratadas e tratadas, definido segundo a NBR 9938/87. A Figura 6.15 e a Figura 6.16

mostram, respectivamente, o índice de esmagamento das amostras de escória de aciaria


Tabela 6.2 – Índice de esmagamento das amostras (%) (NBR 9938/87)


Não tratada 2 11,80 14,10 12,95 1,63


ao tempo

Tratada (12 meses) 2 16,90 18,20 17,55 0,92



(1 mês) 2 11,30 12,20 11,75 0,64


A norma do Departamento Nacional de Estradas de Rodagem, DNER-EM 262-1994,

limita em 25% o teor de Abrasão Los Angeles, para aceitação de escória de aciaria a ser

utilizada em camadas de pavimento. Uma norma inglesa antiga limita em 30% o índice

de esmagamento para pavimentos e outras superfícies sujeitas a desgaste intenso

(COUTINHO, 1973).

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Usina 1

Índi

ce d

e es

mag

amen

to (%

)


Figura 6.15 – Índice de esmagamento das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1.



85

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Usina 2

Índi

ce d

e es

mag

amen

to (%

)

Não tratada

Tratada (1 mês)

Figura 6.16 - Índice de esmagamento das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2.

O índice de esmagamento é comparável ao índice de Abrasão Los Angeles porque

ambos avaliam a resistência do inerte (COUTINHO, 1973).

6.1.5 Massa unitária e massa unitária compactada

A Tabela 6.3 apresenta a massa unitária das amostras de escória de aciaria não tratadas e

tratadas, definida segundo a NBR 7251/82. A Figura 6.17 e a Figura 6.18 mostram,

respectivamente, a massa unitária das amostras de escória de aciaria LD das Usinas 1 e

2.

Tabela 6.3 – Massa unitária das amostras (kg/dm³) (NBR 7251/82)


Não tratada 3 2,11 2,12 2,11 0,01


ao tempo Tratada

(12 meses) 4 1,86 1,91 1,88 0,02

Não tratada 3 2,16 2,17 2,16 0,01 Usina 2 – tratamento ao tempo, com

molhagem e aeração Tratada (1 mês) 4 2,09 2,10 2,10 0,01




86

1,8

1,9

2

2,1

2,2

Usina 1

Mas

sa u

nitá

ria (k

g/dm

³)


Figura 6.17 - Massa unitária das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1.

1,8

1,9

2

2,1

2,2

Usina 2

Mas

sa u

nitá

ria (k

g/dm

³)

Não tratada

Tratada (1 mês)

Figura 6.18 - Massa unitária das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2.

A Tabela 6.4 apresenta a massa unitária compactada das amostras de escória de aciaria

não tratadas e tratadas, definida segundo a NBR 7810/83. A Figura 6.19 e a Figura 6.20

mostram, respectivamente, a massa unitária compactada das amostras de escória de

aciaria LD das Usinas 1 e 2.




87

Tabela 6.4 - Massa Unitária Compactada (kg/dm³) (NBR 7810/83)


Não tratada 3 2,29 2,30 2,29 0,01


ao tempo

Tratada (12 meses) 4 2,01 2,03 2,02 0,01



(1 mês) 4 2,21 2,25 2,23 0,02


1,9

2

2,1

2,2

2,3

2,4

Usina 1

Mas

sa u

nitá

ria c

ompa

ctad

a (k

g/dm

³)


Figura 6.19 - Massa unitária compactada das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1.



88

1,9

2

2,1

2,2

2,3

2,4

Usina 2Mas

sa u

nitá

ria c

ompa

ctad

a (k

g/dm

³)

Não tratada

Tratada (1 mês)

Figura 6.20 - Massa unitária compactada das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2.

6.1.6 Umidade

A Tabela 6.5 apresenta a umidade das amostras de escória de aciaria não tratadas e

tratadas. A Figura 6.19 e a Figura 6.20 mostram, respectivamente, a umidade das

amostras de escória de aciaria LD das Usinas 1 e 2.

Tabela 6.5 – Teor de umidade


Não tratada 2 5,40 5,50 5,45 0,07


ao tempo Tratada

(12 meses) 2 5,60 5,60 5,60 0,00



(1 mês) 2 5,00 5,00 5,00 0,00




89

1

2

3

4

5

6

7

Usina 1

Um

idad

e (%

)


Figura 6.21 - Umidade das amostras de escória de aciaria LD da Usina 1.

1

2

3

4

5

6

7

Usina 2

Um

idad

e (%

)

Não tratada

Tratada (1 mês)

Figura 6.22 - Umidade das amostras de escória de aciaria LD da Usina 2.

6.1.7 Análise estatística e discussão dos resultados de caracterização física

Os resultados da caracterização física são analisados por meio de estatística descritiva e

inferência estatística. Tanto na Usina 1 quanto na Usina 2, observa-se que, nos

resultados com estatística descritiva, de um modo geral, as médias das características

físicas índice de esmagamento, massa específica agregado miúdo, massa unitária, massa

unitária compactada e umidade são diferentes, quando se comparam amostras tratadas e

não tratadas.




90

Na análise granulométrica, observa-se que as amostras da Usina 2 apresentam suas

curvas granulométricas semelhantes. Já na Usina 1, as amostras tratadas apresentam

frações mais grossas, o que pode ser explicado pela heterogeneidade inerente à escória

de aciaria. Os resultados obtidos, tanto para a Usina 1 quanto para a Usina 2, não

atendem à norma do DNER (DNER EM 262/94), que especifica, que a composição

granulométrica das escórias de aciaria deva manter a proporção de 40% na faixa menor

que 12,7mm e de 60% na faixa de 12,7 a 50,8mm de abertura nominal e deve atender à

granulometria de projeto. É importante lembrar que a granulometria da escória de

aciaria usada em pavimentos é obtida por peneiramento e/ou britagem, podendo ser

selecionada de acordo com o necessário.

A norma do Departamento Nacional de Estradas de Rodagem DNER-EM 262 – 1994

limita a absorção de água na faixa de 1 a 2 %, para aceitação da escória de aciaria a ser

utilizada em camadas de pavimentos. Segundo Geiseler (1996), a faixa de absorção

típica, das escórias LD, é de 0,2 a 1%, na Alemanha. Pode-se observar que a absorção

das escórias brasileiras estudadas é diferente das escórias típicas da Alemanha,

provavelmente devido à diferença dos aços gerados no Brasil e naquele país. Resultados

de absorção elevados podem significar que o material pode gerar uma estrutura mais

exposta à agressão, tanto física como química, e pode acelerar as reações de hidratação,

que provocam a expansibilidade da escória de aciaria (THOMAS, 2000). Porém, os

resultados de Abrasão Los Angeles e de esmagamento, que refletem o desgaste do

material, são considerados bons, em relação ao limite, da norma DNER, de 25%. Outra

observação importante é que uma alta absorção pode significar maior consumo de água

na compactação do material. Deve-se considerar, também, que a estrutura fica mais

exposta às reações químicas de hidratação.

A massa unitária no estado solto das amostras de escória de aciaria LD estudadas

apresenta-se elevada, acima do limite de 1,7 kg/dm3 citada pela norma do DNER EM

262/92. Entretanto, a massa unitária elevada pode ser importante quando se quer algum

tipo de estabilização por gravidade.

Para os parâmetros com mais de uma repetição é realizada inferência estatística. Nesse

estudo, o tratamento não exerce influência significativa sobre os parâmetros massa

unitária e massa unitária compactada nas amostras da Usina 2. Entretanto, para as

amostras não tratada e tratada por 6 meses, da Usina 1, tanto a massa unitária quanto a

massa unitária compactada são influenciadas pelo tratamento, diminuindo seus valores


91

com o tratamento. Este resultado pode ser justificado pelo aumento da fração grossa,

conforme o resultado da granulometria, que pode ter gerado maior volume de vazios

não preenchidos pela fração fina, retratando a heterogeneidade da amostra.

Os resultados de umidade das escórias de aciaria estudadas variam de 4,00 a 7,10%.

Deve-se considerar que esta água presente nas amostram podem acelerar as reações de

hidratação e afetar os resultados do potencial de expansão.

De maneira geral, as características físicas das escórias de aciaria são favoráveis à sua

utilização para pavimentação. O índice de abrasão Los Angeles, parâmetro importante

para esta finalidade, apresenta valores muito inferiores em relação à especificação do

DNER. Para os parâmetros massa específica real do agregado e massa unitária são

encontrados valores altos e bastante superiores aos comuns a agregados naturais.

Motz e Geiseler (2001) também obtiveram resultados favoráveis, para a escória de

aciaria, quando da avaliação de índices como massa específica, forma, resistência ao

impacto e ao polimento, friabilidade e resistência ao congelamento e degelo, numa

comparação com agregados graníticos.

6.2 Caracterização da microestrutura da escória de aciaria

A caracterização da microestrutura é de grande utilidade para avaliar a escória de

aciaria, entretanto não se deve esquecer que as análises e observações são realizadas em

amostras de pequenas dimensões. Isto significa que os minerais detectados realmente

estão presentes no material, mas os não detectados podem ou não existir na escória.

6.2.1 Análise química

Os resultados das amostras de escória de aciaria LD não tratadas e tratadas constam do

Quadro 6.7.


92

Quadro 6.7 – Resultados das análises químicas das amostras de escória de aciaria LD não tratadas e tratadas

Resultados em massa (%)

Usina 1 Usina 2 Ensaio

NT T6 T12 NT T1

Perda ao Fogo PF n.d. n.d. 0,51 n.d. 0,93

Dióxido de silício SiO2 7,40 7,79 8,20 9,52 12,62

Óxido de alumínio Al2O3 2,89 3,49 1,89 3,70 3,26

Óxido de ferro Fe2O3 35,82 37,30 31,72 31,95 28,37

Óxido de cálcio CaO 36,44 36,24 35,96 39,32 43,58

Óxido de magnésio MgO 10,49 9,23 8,90 9,62 5,18

Anidrido sulfúrico SO3 0,12 0,13 n.r. 0,08 n.d.

Enxofre S n.r. n.r. 0,07 n.r. n.r.

Óxido de sódio Na2O 0,01 0,01 0,04 0,02 0,01

Óxido de potássio K2O n.d. n.d. 0,02 n.d. 0,01

Anidrido Fosfórico P2O5 1,25 1,22 1,64 1,20 1,29

Ferro Metálico Fe n.d. n.d. 3,76 n.d. n.d.

Óxido de Cálcio livre CaO l 4,48 7,07 4,77 4,81 6,72

Obs.: n.r. – não realizado; n.d. – não detectado.

6.2.2 MEV

Os resultados da microscopia eletrônica de varredura, juntamente com o do EDS, são

registrados sob a forma de microfractografias e de diagramas, respectivamente. A

Figura 6.23 à Figura 6.43 mostram algumas microfractografias e seus respectivos

diagramas das Usinas 1 e 2. Estes diagramas mostram a composição química elementar

de um ponto ou uma região observados nas microfractografias.


93

NT1 - Escória de Aciaria LD

Foto: NT1-17

1) Carbonato de cálcio


3) Ferroaluminato de cálcio

hidratado

Metalização: Ouro

(1) (2) (3)

Figura 6.23 - Microfractografia e diagramas da amostra não tratada da Usina 1.


Foto: NT1-20

1) Ferrita de cálcio hidratada

2) Silicato de cálcio hidratado

Metalização: Ouro

(1) (2)


1

2

3

1

2


94


Foto: NT2-3

1) Portlandita

Metalização: Ouro

Figura 6.25 - Microfractografia e diagrama da amostra não tratada da Usina 1.


Foto: NT3-9

1) Fosfato de cálcio

Metalização: Ouro


1

1


95

T6-2 - Escória de Aciaria LD

Foto: T6-2-15

1) Portlandita


Metalização: Ouro

(1) (2)

Figura 6.27 - Microfractografia e diagramas da amostra tratada ao tempo por 6 meses da Usina 1.


Foto: T6-3-4

1) Silicato dicálcico


3) Silicato tricálcico

Metalização: Ouro

(1) (2) (3)


1

2

3

2

1


96

T3 - Escória de Aciaria LD

Foto: T6-3-6

1) Ferrosilicato de cálcio

Metalização: Ouro

Figura 6.29 - Microfractografia e diagrama da amostra tratada ao tempo por 6 meses da Usina 1.


Foto: T6-3-9

1) Portlandita



Metalização: Ouro

(1) (2) (3)


1

1

2

3


97


Foto: T12-1-1

Interior de um poro

1) Óxido de cálcio

Metalização: Ouro


T12-1- Escória de Aciaria LD

Foto: T12-1-13


2) Etringita


Metalização: Ouro

(1) (2) (3)


1

1

2 3


98

T12-1- Escória de Aciaria LD

Foto: T12-1-18

1), 2), 4) Silico-aluminato de cálcio


Metalização: Ouro

(1), (2) (3) (4)



Foto: T12-2-11


2) Gesso


Metalização: Ouro

(1) (2) (3)


1

2

4

1 2

3

3


99


Foto: T12-3-8a

1) Minério de ferro

Metalização: Ouro



Foto: NT1-1

1) Etringita

Metalização: Ouro


1

1


100


Foto: NT1-7

1) 2) Portlandita

Metalização: Ouro

(1) (2)



Foto: NT1-11

1) Silicato dicálcico

2) Silicato tricálcico

Metalização: Ouro

(1) (2)


1

2

12


101


Foto: NT3-23

1), 2) Minério de ferro

Metalização: Ouro

(1) (2)



Foto: T1-1-6

1), 2) Silicato dicálcico

Metalização: Ouro

(1),(2)

Figura 6.40 - Microfractografia e diagrama da amostra tratada ao tempo por molhagem e aeração por 1 mês da Usina 2.

2 1

1

2


102


Foto: T1-1-8a


2) Ferroaluminato de cálcio

hidratado

Metalização: Ouro

(1) (2)

Figura 6.41 - Microfractografia e diagramas da amostra tratada ao tempo por molhagem e aeração por 1 mês da Usina 2.


Foto: T1-2-1




Metalização: Ouro

(1) (2) (3)


12

1 2

3


103


Foto: T1-2-9

1), 2) Portlandita

Metalização: Ouro

(1) (2)


O Quadro 6.8 mostra um resumo de todos os minerais observados pela MEV, escória da

Usina 1, e o Quadro 6.9, da Usina 2. É importante ressaltar que, nas microfractografias

acima citadas, Figuras 6.23 a 6.43, não estão todos os minerais observados.

Quadro 6.8 – Minerais observados na MEV nas amostras da Usina 1. Mineral NT T6 T12

Ferroaluminato de cálcio hidratado Carbonato de cálcio

Ferrita de cálcio hidratada Silicato de cálcio hidratado

Portlandita Fosfato de cálcio Silicato dicálcico Silicato tricálcico

Ferrosilicato de cálcio Óxido de cálcio

Aluminato de cálcio Óxido de magnésio solução sólida

Etringita Silico-aluminato de cálcio

Tomasita Gesso

Gismondina Monosulfaluminato de cálcio

Minério de ferro

1 2


104

Quadro 6.9 – Minerais observados na MEV nas amostras da Usina 2.

Mineral NT T1 Etringita

Silicato dicálcico Portlandita

Carbonato de cálcio Gismondina

Silicato tricálcico Aluminato de cálcio

Ferroaluminato de cálcio hidratado Silicato de cálcio hidratado Ferrita de cálcio hidratada

Minério de ferro Fosfato de cálcio

6.2.3 DRX

Os resultados da DRX são os raios encontrados pelo laboratório (Anexo I), onde são

efetuadas as análises. A partir dos raios, são realizadas as identificações dos compostos.

O Quadro 6.10 mostra um resumo dos compostos identificados pela difração de raios-X

das amostras de escória de aciaria LD não tratadas e tratadas.

Quadro 6.10- Compostos presentes nas amostras de escória de aciaria LD não tratadas e tratadas identificados por DRX

Escória de Aciaria LD Usina 1 Usina 2

Composto Fórmula NT T6 T12 NT T1

Alumínio Al - [Ca2Al(OH)6][SiAlO2(OH)4.3H2O - Ca3Al2 (OH)12 - (Ca5SiO4)2 (OH)2 - NaCa4Al3O9

AFm [Ca2Al(OH)6][OH.6H2O] Afuilita Ca3(SiO3.OH)2.2H2O)

Alita - Silicato tricálcico 3CaO SiO2 Aluminato de cálcio 12CaO 7 Al2O3 Aluminato de cálcio CaO 2 Al2O3 Aluminato de cálcio 2CaO.Al2O3

Anatase TiO2 Antigorita Mg3 Si2 O5 (OH)4 Aragonita CaCO3

Augite (Ca,Na)(Mg,Fe,Al,Ti)(Si,Al)2 O6 Bredigita – Silicato

dicálcico 2CaO SiO2


105

Quadro 6.10 - Compostos presentes nas amostras de escória de aciaria LD não tratadas e tratadas identificados por DRX - continuação



Birnessite Na4Mn14O27·9H2O Brownmilerita 4CaO.Al2O3.Fe2O3

Brucita Mg(OH)2 Calcita CaCO3

CaO livre CaO CaO solução sólida CaO

Caolinita Al2 Si2 O5 (OH)4 Carbonato de sódio Na2CO3

Crisotila Mg3Si2O5 (OH)4 Dolomita Ca Mg (CO3)2 Etringita Ca6Al2(SO4)3 (OH)12.26(H2O)

Ferrita de cálcio hidratada Ca3 Fe2 (OH)12 Ferroaluminato de cálcio 4CaO.Al2O3.Fe2O3 Gesso - Sulfato de cálcio CaSO4 2H2O

Gismondina CaAl2Si2O8 .4H2O Goetita FeO (OH)

Hematita Fe2O3 Hexaluminato de cálcio Ca.Al12O12

Larnita - Silicato dicálcico 2CaO.SiO2 Magnesita MgCO3

Metatenardita Na2SO4 Mica variável

Monoaluminato de cálcio CaAl2O4 Monosulfoaluminato de

cálcio hidratado 3CaO.Al2O3.CaSO4. 13H2O Periclásio MgO

Pirita FeS2 Portlandita Ca(OH)2

Quartzo SiO2 Ranquinita Ca3Si2O7

Silicato de cálcio hidratado CaO.SiO2.(H2O)4 Spessartina Mn3 Al2 Si3O12

Sulfato de potássio K2 SO4 Sulfato de magnésio

hidratado MgSO4.5MgO.8H2O Sulfotrialuminato

tetracálcico [Ca4(Al6O12)SO4] Tenardita Na2SO4 Tridimita SiO2


106

Quadro 6.10 - Compostos presentes nas amostras de escória de aciaria LD não tratadas e tratadas identificados por DRX - continuação



Vaterita CaCO3 Wustita FeO

6.2.4 Discussões dos resultados

De acordo com os resultados da análise química, a perda ao fogo, assim como o óxido

de potássio, são detectados apenas nas amostras tratada (12 meses) da Usinas 1 e tratada

(1 mês) da Usina 2. O ferro metálico aparece somente na amostra tratada (12 meses) da

Usina 1. Os teores de óxido de cálcio livre das amostras variam de 4,48 a 7,07 %,

observando-se que ele aumenta com o tratamento da Usina 2 e com tratamento por 6

meses da Usina 01, resultado inesperado, que pode ser explicado pela falta de

confiabilidade do método de determinação (etileno-glicol), pela pequena quantidade de

amostra utilizada neste ensaio e pela heterogeneidade da escória.

Nos resultados de DRX, comparando as amostras tratadas da Usina 1, com a não

tratada, verifica-se que o ferroaluminato de cálcio, o birnessite e a gismondina não são

encontrados na amostra tratada por seis meses, sendo que, somente a gismondina não é

detectada na amostra não tratada. Na amostra tratada por 12 meses, também não é

encontrado o birnessite. Na amostra tratada por um mês, da Usina 2, não é detectada o

birnessite, que aparece na amostra de origem. E, a gismondina não é detectada na

amostra não tratada da Usina 2.

É apresentado um cruzamento dos resultados das análises MEV/EDS e DRX, obtendo-

se os minerais detectados pelas duas técnicas (Quadro 6.11).


107

Quadro 6.11- Minerais detectados por MEV/EDS e DRX nas amostras de escória de aciaria LD não tratadas e tratadas

Escória de aciaria LD Usina 1 Usina 2 Compostos NT T6 T12 NT T1

Aluminato de cálcio Carbonato de cálcio (calcita, aragonita, vaterita) Etringita Ferrita de cálcio hidratada Ferroaluminato de cálcio hidratado Gesso (sulfato de cálcio) Gismondina Minério de ferro (goethita, hematita, wustita) Monosulfoaluminato de cálcio Portlandita Silicato dicálcico Silicato tricálcico Silicatos de cálcio hidratados (C-S-H)

Pode-se observar que a presença dos carbonatos de cálcio, portlandita e silicatos de

cálcio hidratados é detectada pela MEV e confirmada pela DRX, em todas as amostras

de escórias não tratadas e tratadas das duas Usinas.

Quando comparadas as amostras não tratada e tratada (1 mês) da Usina 2, o aluminato

de cálcio, a etringita, a gismondina, o minério de ferro e o silicato tricálcico aparecem

apenas na amostra não tratada. Os outros minerais (carbonatos de cálcio, ferrita de

cálcio hidratada, ferroaluminato de cálcio, portlandita, silicato dicálcico e o silicato de

cálcio hidratado) são encontrados em ambas as amostras.

Ao se comparar as amostras não tratada, tratada por 6 meses e tratada por doze meses da

Usina 1, observa-se que o aluminato de cálcio, a etringita, o gesso, a gismondina, o

minério de ferro e o monossulfoaluminato de cálcio aparecem apenas na amostra

tratada por doze meses. Já a ferrita de cálcio hidratada e o ferroaluminato de cálcio são

detectados somente nas amostras não tratada e tratada por seis meses. O silicato

tricálcico só é observado na amostra tratada por 6 meses e o silicato dicálcico não é

detectado na amostra não tratada.

Nos resultados da análise de microestrutura, a pequena quantidade de amostra utilizada

neste ensaio não é representativa, em relação aos lotes de escórias estudadas. Isto


108

significa que os compostos não detectados podem estar presentes nas escórias

estudadas, porém, não são identificados por estas amostras, e os compostos

identificados realmente estão presentes nas amostras.

Todos os compostos volumetricamente instáveis são identificados nas amostras de

escória de aciaria, estudadas pelas técnicas de caracterização da microestrutura; eles são

responsáveis pelo potencial de expansão das escórias de aciaria. São eles, periclásio, cal

livre, ferro metálico e silicato dicálcico. Também são identificados os compostos que se

formam, seja por reação de hidratação, por carbonatação, por oxidação ou por corrosão,

que são: a brucita, a portlandita, a calcita, a aragonita, a dolomita, a goethita, a hematita

e a wustita.

6.3 Avaliação da expansibilidade

6.3.1 Steam test - ensaio a vapor

O método de ensaio Steam Test utiliza vapor para acelerar as reações de hidratação, que

causam expansibilidade na escória de aciaria. A norma BS EN 1744-1:98 cita um tempo

de ensaio para as amostras de escória de aciaria LD de 1 dia (ou 24 horas) e para EAF

de 7 dias (ou 168 horas). Porém, a norma EN 13242:2002 recomenda a adoção do

tempo de ensaio para as amostras LD, com teor de MgO acima de 5%, também de 7

dias.

A análise química das escórias de aciaria LD estudadas (item 6.2.1) mostra que, todas as

amostras possuem teor de MgO superior a 5%. A composição química das escórias de

aciaria LD brasileiras, apresentada por Little e Setepla (1999), também mostra teores

elevados de MgO, neste caso, sempre superiores a 5%. Dessa forma, pode-se concluir,

que a tendência das escórias de aciaria LD brasileiras é de apresentar o teor de MgO

superior a 5%.

De modo a investigar a evolução do potencial de expansão para amostras com teor de

MgO superior a 5%, realiza-se o ensaio Steam Test das amostras de escória de aciaria

não tratadas e tratadas das Usinas 1 e 2 por período de 1 dia (24 horas) e de 7 dias (168

horas).


109

O método de compactação utilizado, conforme descrito no capítulo 5, é manual,

utilizando soquete padrão Proctor normal e a energia de compactação em torno da

energia de Proctor normal, já que o número de golpes é padronizado.

O Quadro 6.12 mostra a porosidade aparente prática das amostras, calculada a partir da

massa específica real e do volume da amostra após compactação.

Quadro 6.12 – Porosidade aparente média das amostras de escória de aciaria compactadas

Escória Amostra Massa específica real (kg/dm3)

Porosidade aparente (%)

Não tratada 3,48 35

Tratada por 6 meses

3,43 34

Usina 1 – tratamento ao tempo

Tratada por 12 meses

3,43 37

Não tratada 3,46 34 Usina 2 – tratamento

ao tempo com molhagem e aeração Tratada

por 1 mês 3,33 32

Como observado no Quadro 6.12, a porosidade aparente prática citada na norma, de 20

a 25%, não é alcançada na compactação das amostras, provavelmente, por se tratar de

um método manual de compactação. Além disso, deve-se considerar que a norma cita a

porosidade aparente prática das escórias européias que, possivelmente, possuem

características físicas, como forma, diferentes das escórias brasileiras.

A Figura 6.44, a Figura 6.45 e a Figura 6.46 mostram os resultados do potencial de

expansão das escórias de aciaria LD não tratada, tratada ao tempo por 6 meses e por 12

meses da Usina 1, segundo o método BS EN 1744-1:1998 realizado por período de 1

dia.


110

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

00:00

01:00

02:00

03:00

04:00

05:00

06:00

07:00

08:00

09:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

24:00

Tempo (horas)

Expa

nsão

vol

umét

rica

(%)

1 2 3

4 5 Média

Limite Steam Test

Figura 6.44 - Resultados da expansão acumulada da amostra não tratada da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 24 horas

-1

0

1

2

3

4

5

6

00:00

01:00

02:00

03:00

04:00

05:00

06:00

07:00

08:00

09:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

24:00

Tempo (horas)

Expa

nsão

vol

umét

rica

(%)

1 2 Média

Limite Steam Test

Figura 6.45 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada ao tempo, por 6 meses, da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 24 horas


111

-0,5

0,5

1,5

2,5

3,5

4,5

5,5

00:00

01:00

02:00

03:00

04:00

05:00

06:00

07:00

08:00

09:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

24:00

Tempo (horas)

Expa

nsão

vol

umét

rica

(%)

1 2 Média

Limite Steam Test

Figura 6.46 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada ao tempo, por 12 meses, da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 24 horas

A Tabela 6.6 mostra a análise estatística das amostras não tratada, tratada por 6 meses e

tratada por 12 meses, da Usina 1.

Tabela 6.6 – Análise estatística dos resultados do Steam Test, realizado por período de 24 horas, das amostras da Usina 1.

Não tratada Tratada por 6 meses Tratada por 12 mesesMédia 5,00 2,58 2,69Desvio padrão 1,66 0,15 0,28Máximo 7,10 2,68 2,89Mínimo 2,90 2,47 2,49Variância 2,76 0,02 0,08Coef. de variação (%) 33,22 5,80 10,39

Análise estatística Amostras tratadas ao tempo

Os resultados do Steam Test, realizado por período de1 dia, para a Usina 1, mostram que

com o tratamento ao tempo por 6 meses da escória de aciaria LD, houve uma redução

no potencial de expansão e, atende ao limite adotado de 5%, o mesmo acontecendo com

os resultados da amostra tratada por 12 meses. Porém, pode-se observar que o tempo de

tratamento de 6 meses para 12 meses não é eficaz. Este resultado pode ser, em parte,

justificado pela heterogeneidade da própria escória e pela falta de critérios para melhor

controle do tratamento.


112

A Figura 6.47 e a Figura 6.48 mostram os resultados do potencial de expansão das

escórias de aciaria LD não tratada e tratada, por molhagem e aeração, por 1 mês da

Usina 2, segundo o método BS EN 1744-1:1998 e o limite do Steam Test estabelecido,

de 5%.

-1

0

1

2

3

4

5

6

00:00

01:00

02:00

03:00

04:00

05:00

06:00

07:00

08:00

09:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

24:00

Tempo (horas)

Expa

nsão

vol

umét

rica

(%)

1 2 Média

Limite Steam Test

Figura 6.47 - Resultados da expansão acumulada da amostra não tratada da Usina 2, segundo o método Steam Test, por período de 24 horas

0

1

2

3

4

5

6

00:00

01:00

02:00

03:00

04:00

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08:00

09:00

10:00

11:00

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17:00

18:00

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23:00

24:00

Tempo (horas)

Expa

nsão

vol

umét

rica

(%)

1 2 Média

Limite Steam Test

Figura 6.48 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada ao tempo, por 1 mês, da

Usina 2, segundo o método Steam Test, por período de 24 horas


113

A Figura 6.49 mostra o resultado do potencial de expansão da amostra analisada por

Silva et al. (2006), procedente da Usina 2, porém com tratamento, ao tempo e com

molhagem e aeração, de 3 meses.

0

1

2

3

4

5

6

00:00

01:00

02:00

03:00

04:00

05:00

06:00

07:00

08:00

09:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

24:00

Tempo (horas)

Expa

nsão

vol

umét

rica

(%)

1 2 Média

Limite Steam Test

Figura 6.49 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada ao tempo, por 3 meses, segundo o método Steam Test, por período de 1 dia (SILVA et al., 2006)

De acordo com este resultado, o valor máximo do potencial de expansão para a amostra

tratada por 3 meses da Usina 2, atende ao limite de 5%.

A Tabela 6.7 mostra a análise estatística das amostras não tratada e tratada por 1 mês da

Usina 2.

Tabela 6.7 – Análise estatística dos resultados do Steam Test, realizado por período de 24 horas, das amostras da Usina 2.

Não tratada Tratada por 1 mêsMédia 3,21 3,10Desvio padrão 0,16 0,80Máximo 3,33 3,66Mínimo 3,10 2,53Variância 0,03 0,64Coef. de variação (%) 5,13 25,76

Análise estatísticaAmostras tratadas ao tempo com

molhagem e aeração


114

Para a Usina 2, em que o tratamento é ao tempo com molhagem e aeração, pode-se

observar que os valores máximos do potencial de expansão para as amostras não tratada

e tratada por 1 mês atendem ao limite de 5%.

A Figura 6.50, a Figura 6.51 e a Figura 6.52 mostram os resultados do potencial de

expansão das amostras não tratada e tratada ao tempo por 6 meses e por 12 meses da

Usina 1, segundo o método BS EN 1744-1:1998 realizado por período de 7 dias.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 1 2 3 4 5 6 7Tempo (dias)

Expa

nsão

vol

umét

rica

(%)

1 2 Média

Limite Steam Test

Figura 6.50 - Resultados da expansão acumulada da amostra não tratada, da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 7 dias


115

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5 6 7

Tempo (dias)

Expa

nsão

vol

umét

rica

(%)

1 2 Média

Limite Steam Test

Figura 6.51 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada ao tempo, por 6 meses, da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 7 dias

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0 1 2 3 4 5 6 7

Tempo (dias)

Expa

nsão

vol

umét

rica

(%)

1 2 Média

Limite Steam Test

Figura 6.52 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada, por 12 meses, da Usina 1, segundo o método Steam Test, por período de 7 dias

A Tabela 6.8 mostra a análise estatística das amostras não tratada, tratada ao tempo por

6 meses e por 12 meses da Usina 1. A Figura 6.53 mostra o potencial de expansão


116

máximo, determinado pelo Steam Test, realizado por 7 dias, das amostras de escórias de

aciaria da Usina 1.

Tabela 6.8 – Análise estatística dos resultados do Steam Test, realizado por período de 7 dias, das amostras da Usina 1.

Amostras tratadas ao tempo Análise estatísticanão tratada tratada por 6 meses tratada por 12 meses

Média 6,64 4,96 7,86 Desvio padrão 1,38 1,16 1,53 Máximo 7,61 5,78 8,95 Mínimo 5,66 4,14 6,78 Variância 1,90 1,35 2,34 Coef. de variação (%) 20,79 23,43 19,44

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

Usina 1

Exp

ansi

bilid

ade

(%)

não tratadatratada por 6 mesestratada por 12 meses

Figura 6.53 – Potencial de expansão máximo determinado pelo Steam Test, realizado por 7 dias, das amostras da Usina 1.

A Figura 6.54 e a Figura 6.55 mostram os resultados do potencial de expansão das

amostras não tratada e tratada ao tempo, com molhagem e aeração, por 1 mês, da Usina

2.



117

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5 6 7

Tempo (dias)

Expa

nsão

vol

umét

rica

(%)

1 2 Média

Limite Steam Test

Figura 6.54 - Resultados da expansão acumulada da amostra não tratada, da Usina 2, segundo o método Steam Test, por período de 7 dias

0

2

4

6

8

10

12

0 1 2 3 4 5 6 7Tempo (dias)

Expa

nsão

vol

umét

rica

(%)

1 2 Média

Limite Steam Test

Figura 6.55 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada, por 1 mês, da Usina 2, segundo o método Steam Test, por período de 7 dias

A Tabela 6.9 mostra a análise estatística das amostras não tratada, tratada por 6 meses e

tratada por 12 meses da Usina 2. A Figura 6.56 mostra o gráfico de barras do potencial

de expansão máximo, determinado pelo Steam Test, realizado por 7 dias, das amostras

de escórias de aciaria da Usina 2.


118

Tabela 6.9 – Análise estatística dos resultados do Steam Test, realizado por período de 7 dias, das amostras da Usina 2.

Amostras tratadas ao tempo com molhagem e aeração Análise estatística

Não tratada Tratada por 1 mês Média 6,34 8,88 Desvio padrão 0,09 1,45 Máximo 6,40 9,91 Mínimo 6,28 7,85 Variância 0,01 2,12 Coef. de variação (%) 1,34 16,37

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

Usina 2

Exp

ansi

bilid

ade

(%)

Não tratada

Tratada por 1 mês

Figura 6.56 – Potencial de expansão máximo determinado pelo Steam Test, realizado por 7 dias, das amostras da Usina 2.

Analisando os gráficos dos resultados de potencial de expansão das amostras não tratada

e tratadas, tanto da Usina 1 quanto da Usina 2, segundo o método Steam Test, realizado

por período de 7 dias, observa-se que, após as 24 horas iniciais, a expansão acumulada

continua em ascensão. Os resultados do potencial de expansão do ensaio com 168 horas

são muito maiores em relação ao ensaio com 24 horas de duração, confirmando a

necessidade de prolongar o tempo de ensaio, conforme determinado pela norma EN

13242:2002, na ocorrência de teores elevados de MgO (maiores que 5%).

Dessa forma, nenhum dos tratamentos analisados, ao tempo e ao tempo com molhagem

e aeração, é eficiente, quando avaliado pelo ensaio Steam Test, adotando-se o valor

máximo e o limite de 5% de aceitação, com período de realização do ensaio de 7 dias.

Provavelmente, esses tratamentos somente aceleram as reações de hidratação referentes

ao óxido de cálcio. Logo, é necessário reavaliar os tratamentos de redução do potencial

de expansão de escórias de aciaria LD utilizados no Brasil.



119

Porém, se considerarmos outras categorias de aplicações, como citado no capítulo 4,

item 4.5, as amostras de escórias de aciaria estudadas poderiam ser aplicadas nas

categorias, VC e VD, e, algumas amostras, as não tratadas das duas Usinas, até mesmo na

categoria VB. É importante observar que, na Europa, cada país define a categoria de

utilização da escória de aciaria, de acordo com a sua experiência de aplicação.

6.3.2 Efeito das repetições sobre o ensaio Steam Test

Para avaliar o efeito das repetições no ensaio a vapor Steam Test, sobre as escórias de

aciaria brasileiras, é realizada análise estatística, conforme Tabela 6.10, da amostra não

tratada da Usina 1, com 5 corpos-de-prova.

Tabela 6.10 – Análise estatística da amostra não tratada da Usina 1.

Média 5,53Desvio padrão 1,36Máximo 7,10Mínimo 3,83Variância 1,84Coef. de variação (%) 24,51

Análise estatística Amostras

Conforme observado na análise estatística da Tabela 6.10, o coeficiente de variação é

muito grande, provavelmente devido à heterogeneidade da escória. A diferença entre os

valores máximo e mínimo, também é muito grande. Logo, conclui-se que, é necessário

realizar mais de 2 repetições por amostra de escória de aciaria, quando o desvio padrão

é muito grande em relação á média (maior que 20%).

A fim de conhecer o número de corpos-de-prova mínimo, para a realização do Steam

Test, é realizado um estudo estatístico para determinar o tamanho da amostra. De acordo

com Cochran (1977), a Equação 6.1 realiza este cálculo, sendo necessária a execução de

um ensaio piloto com 2 corpos-de-prova, para a determinação da média e do desvio

padrão.

n = S2 (Z1-α/2 + Z1-β) (µ - µ0)2

Equação 6.1

Onde: S - desvio padrão da amostra

(µ - µ0) - diferença entre as medias = precisão.

α - erro tipo 1 = 5%


120

β - erro tipo 2 = 80% Z - valor da curva normal padrão

Adota-se a precisão desejada da seguinte forma: (i) caso o desvio padrão seja grande em

relação à média (desvio padrão maior que 20% da média), a precisão desejada é igual à

metade do desvio padrão, então, o número mínimo de determinações é 8; (ii) caso o

desvio padrão seja pequeno em relação à média (desvio padrão menor que 20% da

média), a precisão desejada é igual a um desvio padrão e, o número mínimo de

determinações é 2; conforme a norma.

6.3.3 Comparação dos resultados dos métodos de ensaio PTM 130 e Steam Test

O Quadro 6.13 mostra os resultados máximos encontrados pelos ensaios PTM 130 e

Steam Test, para a Usina 1, em que o tratamento utilizado é ao tempo, e para a Usina 2,

em que o tratamento utilizado é ao tempo com molhagem e aeração.

Quadro 6.13 – Comparação entre os resultados dos ensaios PTM 130 e Steam Test.

Escória Amostra

PTM – 130/78 Valor máximo

(%)*

Steam Test 1 dia Valor

máximo (%)

Steam Test 7 dias

Valor máximo (%)

Não tratada 4,03 7,10 7,61 Tratada por 6

meses 3,32 2,66 5,78

Usina 1 – tratamento ao tempo

Tratada por 12 meses 2,25 2,89 8,94

Não tratada 3,35 3,33 6,40 Tratada por 1

mês 3,76 3,66 9,91

Usina 2 – tratamento ao tempo com molhagem e aeração

Tratada por 3 meses 2,85 3,27 n.r.**

* Ensaios realizados por Oliveira (2006) nas mesmas amostras (Anexo II). **n.r. - não realizado

Os resultados mostram que, para a Usina 1, no ensaio Steam Test, realizado por 1 dia, a

amostra tratada por 6 meses e 12 meses, ao tempo, atendem ao limite adotado de 5%,

enquanto que, para o ensaio PTM 130, apenas a amostra tratada por 12 meses atende ao

limite adotado para este método, 3%. Já para o ensaio Steam Test, realizado por 7 dias,

nenhuma amostra atende ao limite adotado de 5%. Isto pode, em parte, ser justificado

pela heterogeneidade da própria escória e pela falta de critérios para melhor controle do

tratamento.


121

Os resultados das amostras da Usina 2 mostram que, para o ensaio PTM 130, apenas a

amostra tratada por 3 meses atende ao limite de 3%. Enquanto que, no ensaio Steam

Test, realizado por 1 dia, todas as amostras atendem ao limite adotado de 5%. Nos

resultados do ensaio Steam Test, realizado por 7 dias, nenhuma amostra atende ao limite

de 5%.

Os resultados do Steam Test, realizado por 1 dia, provavelmente não refletem todo o

potencial de expansão e, por este ensaio ser mais agressivo, espera-se obter resultados

superiores aos do PTM 130. Outro dado importante é que, os ensaios Steam Test e PTM

130 foram realizados em momentos diferentes, em função do atraso na importação,

instalação e adaptação do equipamento Steam Test. Logo, o tempo de exposição entre a

geração e a data de realização do ensaio das amostras é grande e a umidade presente nas

escórias pode ter acelerado as reações de hidratação e minimizado o resultado do

potencial de expansão obtido com os ensaios.

No entanto, ao se comparar os resultados do PTM 130 com os do Steam Test, realizados

por período de 7 dias, observa-se que os resultados do Steam Test são muito maiores.

Logo, pode-se sugerir a melhor aplicação do método Steam Test, por período de 168

horas, para identificação da expansão decorrente da hidratação do MgO, que pode ser

extremamente lenta nas utilizações das escórias de aciaria como base e sub-base, e que

pode comprometer o desempenho em serviço do pavimento.

Cap. 7 – Considerações finais

122

7. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A busca constante do desenvolvimento sustentável, por parte das usinas siderúrgicas,

motiva pesquisas que tornam os resíduos provenientes dessas usinas aproveitáveis na

construção civil. Porém, antes de sua efetiva aplicação, torna-se necessário profundo

conhecimento técnico sobre características destes resíduos, para transformá-los em co-

produtos com agregação de valor técnico, econômico, físico e ambiental.

A escória de aciaria LD, resíduo da fabricação do aço, é um desses co-produtos que

podem ser utilizados na construção civil, desde que devidamente conhecidas suas

características e sua aplicabilidade.

A principal utilização da escória de aciaria é na área de pavimentação, como base e sub-

base. A escória de aciaria possui vantagens econômicas, devido à possibilidade de

camadas mais finas de bases e sub-bases, para a mesma resistência à carga/compressão

e durabilidade, em relação à aplicação de materiais convencionais, como areia e brita

(PENA, 2004). Entretanto, quando em contato com a água, ocorrem reações de

hidratação que provocam a instabilidade volumétrica da escória de aciaria.

Existem alguns tratamentos que reduzem a expansibilidade e contribuem também para a

melhoria geral das características deste co-produto, com o intuito de viabilizar a sua

utilização em pavimentação.

A avaliação do potencial de expansão das escórias de aciaria pode ser realizada por

diversos métodos. Os mais citados na literatura são aqueles com base no ensaio de

compactação, como JIS A 5015/92, ASTM D 4792/00 e método de ensaio do

Departamento de Transportes da Pensilvânia PTM 130/78, adaptado pelo Departamento

de Estradas de Rodagem de Minas Gerais (DMA-1/DER-MG/92) de acordo com o

DNER – DPT 49/64. Na Europa, o método normalizado é o ensaio a vapor Steam Test

(parte da norma prEN 1744-1 – Testes para propriedades químicas de agregados –

análises químicas), que mede o potencial de expansão da escória de aciaria para

utilização em pavimentação. O objetivo do Steam Test é acelerar as reações de

hidratação, utilizando vapor d’água (MOTZ; GEISELER, 2001). O Steam Test, único

ensaio que avalia o potencial de expansão especificamente das escórias de aciaria,

possui comprovada correlação com os resultados de campo e é recomendado pelo

Comitê Europeu de Normalização (MOTZ; GEISELER, 2001).


123

Nesta pesquisa são analisadas amostras de escória de aciaria não tratadas e tratadas ao

tempo, por 6 meses e por 12 meses, e ao tempo com molhagem e aeração, por 1 mês. É

realizada a caracterização física e microestrutural das amostras. O método de

determinação do potencial de expansão utilizado é o Steam Test, com limite de

aceitação de 5%.

A análise dos resultados desta pesquisa permite concluir que os tratamentos avaliados,

ao tempo, por 6 meses e por 12 meses, e ao tempo com molhagem e aeração, por 1 mês,

não reduzem o potencial de expansão das escórias de aciaria LD a níveis satisfatórios,

considerando o limite de 5% do ensaio Steam Test, realizado por período de 7 dias.

Observa-se que, na Europa, cada país define a categoria de utilização da escória de

aciaria, de acordo com a sua experiência de aplicação.

É importante ressaltar que o ensaio Steam Test é extremamente agressivo e expõe a

amostra a condições de aceleração dos mecanismos de expansão e, conseqüentemente,

favorece a heterogeneidade dos resultados de potencial de expansão das escórias de

aciaria. Portanto, considerando que as reações da hidratação do MgO livre podem ser

extremamente lenta, pode-se sugerir a melhor aplicação do ensaio Steam Test nas

utilizações das escórias de aciaria como base e sub-base, para não comprometer o

desempenho em serviço do pavimento. Deve-se considerar que, em várias situações, os

problemas originados da expansão da escória de aciaria utilizada em base e sub-base

ocorreram após alguns anos de utilização.

Porém, é necessário determinar um limite de aceitação deste método, para as escórias de

aciaria LD brasileiras, com monitoramento de trechos experimentais por, pelo menos, 5

(cinco) anos, com base nestes estudos.

A análise dos resultados de caracterização física obtidos por esta pesquisa permite

concluir que:

a análise granulométrica das amostras estudadas não atendem à proporção de

granulometria exigida pela norma DNER EM 262/94, porém esta granulometria pode

ser selecionada no beneficiamento da escória de aciaria;

as massas específicas reais das escórias de aciaria LD analisadas encontram-se

dentro do limite estabelecido pela especificação do DNER EM 262/94, de 3,0 a

3,5g/cm3;


124

os resultados de absorção das amostras de escória de aciaria LD não atendem à

norma DNER EM 262/94. Porém, estes resultados não afetam os índices de abrasão Los

Angeles e de esmagamento, que refletem a resistência ao desgaste do material. Outra

observação importante é que uma alta absorção pode significar que a estrutura fica mais

exposta às reações químicas de hidratação, favorecendo a expansão da amostra

(THOMAS, 2000);

os resultados dos índices de abrasão Los Angeles, das amostras de escória de

aciaria, 9,9 a 17% encontram-se abaixo do limite de 25%, estabelecido pela DNER EM

262/94. O índice de esmagamento apresenta resultados muito próximos aos do ensaio de

abrasão Los Angeles;

na Usina 2, em que o tratamento de redução do potencial expansivo das escórias é

realizado ao tempo com molhagem e aeração, por período de 1 mês, os parâmetros

massa unitária e massa unitária compactada não são influenciados, estatisticamente,

pelo tratamento. Já na Usina 1, em que o tratamento de redução do potencial expansivo

das escórias é realizado ao tempo, nas amostras não tratada e tratada por 6 meses, tanto

a massa unitária quanto a massa unitária compactada são influenciadas, estatisticamente,

pelo tratamento, diminuindo seu valor, após o tratamento. Este resultado pode ser

justificado pelo aumento da fração grossa, da Usina 2, conforme o resultado da

granulometria, que pode ter gerado maior volume de vazios, não preenchidos pela

fração fina, retratando a heterogeneidade da amostra.

a massa unitária no estado solto, das amostras de escória de aciaria LD estudadas,

apresenta-se elevada, acima do limite de 1,7 kg/dm3 citado pela norma do DNER EM

262/92. Entretanto, a massa unitária elevada pode ser importante, quando se quer algum

tipo de estabilização por gravidade;

o parâmetro umidade é de fundamental importância, pois a água encontrada nas

amostras pode ter acelerado as reações de hidratação das escórias de aciaria estudadas e

minimizado os resultados do potencial de expansão. As amostras estudadas apresentam

umidade na faixa de 4,00 a 7,10% e podem ter influenciado os resultados do potencial

de expansão;

De maneira geral, as características físicas das escórias de aciaria são favoráveis à sua

utilização para pavimentação.


125

A análise dos resultados de caracterização microestrutural por esta pesquisa permite

concluir que:

de acordo com o resultado de análise química, os teores de óxido de cálcio livre

das amostras variam de 4,48 a 7,07 %, observando-se que ele aumenta com o tratamento

da Usina 2 e com tratamento por 6 meses da Usina 01, resultado inesperado que pode

ser explicado pela falta de confiabilidade do método (etileno-glicol), pela pequena

quantidade de amostra utilizada neste ensaio e pela própria heterogeneidade da escória;

os teores de MgO das amostras, tanto da Usina 1 quanto da Usina 2, não tratadas e

tratadas, são superiores a 5%;

são identificados todos os compostos volumetricamente instáveis nas amostras de

escória de aciaria estudadas: periclásio, cal livre, ferro metálico e silicato dicálcico. Os

compostos que se formam, seja por reação de hidratação, por carbonatação, por

oxidação ou por corrosão, também são identificados. São eles: a brucita, a portlandita, a

calcita, a aragonita, a dolomita, a goethita, a hematita e a wustita.

Pela análise dos resultados de determinação do potencial de expansão das escórias de

aciaria LD, determinado pelo método Steam Test, conclui-se que:

a compactação manual dos corpos-de-prova não atingiu a porosidade aparente que

a norma EN 1744-1:1998 sugere. É necessário que, em pesquisas futuras, seja realizada

a compactação mecânica das amostras, em que o cilindro do ensaio seja adaptado a uma

mesa vibratória, com o intuito de reavaliar o parâmetro porosidade aparente;

sugere-se a melhor aplicação do método Steam Test, por período de 7 dias, para

amostras com teor de MgO superior a 5%, para identificação da expansão decorrente da

hidratação do MgO, que pode ser extremamente lenta, nas utilizações das escórias de

aciaria como base e sub-base, e que pode comprometer o desempenho em serviço do

pavimento;

o número de corpos-de-prova adotado nesta pesquisa é 2, de acordo com a

norma européia. Entretanto, na análise do efeito das repetições sobre o ensaio Steam

Test, conclui-se que é necessário um número maior de repetições. Para isso, sugere-se a

realização de um ensaio piloto, com 2 corpos-de-prova, de modo a obter a média e o

desvio padrão dos resultados. Caso o desvio padrão seja grande em relação à média

(desvio padrão maior que 20% da média), então, o número mínimo de determinações é

8; caso contrário, o número mínimo de determinações é 2, conforme a norma;


126

nenhum dos tratamentos utilizados, ao tempo e ao tempo com molhagem e

aeração, é eficaz, adotando-se o limite de 5% de aceitação do Steam Test, realizado por

período de 168 horas;

os resultados do potencial de expansão do ensaio Steam Test, por período de 168

horas, são muito maiores em relação ao ensaio PTM 130;

o limite de aceitação do ensaio Steam Test precisa ser avaliado, para escórias de

aciaria LD brasileiras, dependendo do tipo de aplicação, confinada ou não, considerando

uma correlação com resultados de campo. Na Europa, esses limites estão associados à

sua aplicação e ao período de ensaio, dependendo do teor de MgO contido na amostra;

é necessário reavaliar os tratamento de redução do potencial de expansão de

escórias de aciaria LD utilizados no Brasil e, até mesmo, considerar a possibilidade de

utilização de escória de aciaria LD misturada a outros materiais.

Com o objetivo de contribuir para a maior utilização das escórias de aciaria em bases e

sub-bases, sugere-se:

estudo da microestrutura das escórias de aciaria avaliadas, após a realização do

ensaio Steam Test, para verificar o efeito da percolação do vapor sobre microestrutura

das amostras;

monitoramento de trecho experimental com escórias de aciaria LD brasileiras em

base e sub-base, para determinação do limite de aceitação do ensaio a vapor, Steam

Test, com base em monitoramentos da expansão in loco;

estudo, para proposição de alteração dos limites da especificação rodoviária

DNER EM 262/94, para absorção de água e massa unitária da escória de aciaria

utilizada na construção de pavimentos rodoviários, já que estes parâmetros não são

coerentes com os resultados encontrados em escórias de aciaria brasileiras, que tem

origem nas normas de agregados;

investigar a razão para o considerável crescimento do potencial de expansão nas

escórias de aciaria LD tratadas, avaliado pelo Steam Test. Silva et al. (2006) também

observaram este comportamento em escórias de aciaria EAF tratadas.

Cap. 8 – Referências bibliográficas

127

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ANEXO I

Anexo I

139

Raios do DRX

O Quadro 1, o Quadro 2 e o Quadro 3 mostram as distâncias interplanares (d1) e as

intensidades dos raios, resultados do DRX encontrados pelo laboratório, das amostras

não tratada, tratada por 6 meses e tratada por 12 meses da Usina 1.

Quadro 1 – Distâncias interplanares e intensidades dos raios detectados pelo laboratório, para a amostra não tratada da Usina 1.

d1 INTENSIDADE d1 INTENSIDADE d1 INTENSIDADE 7,266 13,19 2,467 46,51 1,733 3,68 3,855 8,79 2,376 23,80 1,682 7,72 3,656 10,36 2,275 5,46 1,583 8,74 3,033 3,87 2,137 100,00 1,548 8,01 2,860 6,78 2,064 8,96 1,513 36,62 2,775 57,80 2,019 10,42 1,432 2,51 2,690 41,20 1,979 4,12 1,369 2,95 2,656 65,96 1,935 22,79 1,332 3,90 2,595 15,30 1,871 5,04 1,291 8,87 2,534 8,78 1,833 6,70 1,237 7,15

Quadro 2 – Distâncias interplanares e intensidades dos raios detectados pelo laboratório para a amostra tratada ao tempo por 6 meses da Usina 1.

d1 INTENSIDADE d1 INTENSIDADE d1 INTENSIDADE 7,339 10,44 2,476 37,26 1,684 10,19 4,908 4,81 2,379 25,14 1,585 6,62 3,869 3,78 2,280 3,50 1,547 4,04 3,670 7,74 2,185 13,97 1,518 30,45 3,048 3,03 2,146 100,00 1,435 3,27 2,876 5,86 2,066 3,36 1,371 2,99 2,784 36,76 1,937 14,47 1,295 9,53 2,743 38,35 1,837 3,55 1,240 5,76 2,661 33,99 1,794 2,28 2,608 17,85 1,736 4,53

Anexo I

140

Quadro 3 – Distâncias interplanares e intensidades dos raios detectados pelo laboratório, para a amostra tratada ao tempo por 12 meses da Usina 1.

d1 INTENSIDADE d1 INTENSIDADE d1 INTENSIDADE 7,389 25,01 2,546 12,78 1,587 11,24 5,257 3,87 2,482 47,57 1,553 12,92 4,920 6,26 2,384 19,52 1,520 33,69 3,887 12,34 2,287 6,21 1,486 5,45 3,687 14,08 2,149 100,00 1,464 3,73 3,168 2,92 2,073 17,73 1,434 2,60 3,045 8,54 2,028 9,57 1,376 2,55 2,876 8,03 1,987 3,69 1,351 7,62 2,791 65,14 1,943 40,31 1,335 3,07 2,752 37,11 1,879 5,71 1,297 11,89 2,706 46,52 1,837 8,20 1,240 7,05 2,672 96,72 1,686 6,61 2,609 18,15 1,619 4,79

O Quadro 4 e o Quadro 5 mostram as distâncias interplanares (d1) e as intensidades dos

raios, resultados do DRX encontrados pelo laboratório, das amostras não tratada e

tratada por 1 mês.

Quadro 4 – Distâncias interplanares e intensidades dos raios detectados pelo laboratório, para a não amostra da Usina 2.

d1 INTENSIDADE d1 INTENSIDADE d1 INTENSIDADE 11,626 5,63 2,600 36,11 1,683 15,15 7,268 14,23 2,478 51,01 1,623 5,81 3,861 10,33 2,375 32,39 1,582 19,49 3,747 3,20 2,275 14,21 1,549 11,47 3,656 19,08 2,182 39,10 1,515 42,92 3,226 4,14 2,150 97,39 1,483 6,26 3,024 16,34 2,140 100,00 1,434 3,25 2,944 4,09 2,023 6,92 1,369 10,39 2,866 15,04 1,980 11,15 1,329 5,29 2,775 83,42 1,934 26,38 1,298 11,45 2,736 80,72 1,827 6,95 1,243 8,55 2,652 82,78 1,760 5,13

Anexo I

141

Quadro 5 – Distâncias interplanares e intensidades dos raios detectados pelo laboratório, para a amostra tratada ao tempo, com molhagem e aeração, por 1 mês da

Usina 2.

d1 INTENSIDADE d1 INTENSIDADE d1 INTENSIDADE 7,317 30,69 2,381 35,36 1,626 9,58 4,906 10,55 2,281 15,56 1,602 4,46 3,872 10,38 2,187 34,51 1,587 15,66 3,667 19,63 2,155 83,73 1,551 14,08 3,233 3,70 2,145 85,13 1,522 39,68 3,040 16,66 2,056 10,72 1,484 10,49 2,872 14,18 2,023 8,14 1,430 4,34 2,782 100,00 1,981 16,99 1,371 10,80 2,741 80,10 1,935 32,13 1,297 9,41 2,661 78,90 1,836 12,07 1,242 9,16 2,606 40,27 1,763 6,02 1,216 6,78 2,538 17,08 1,737 8,03 2,482 57,52 1,683 16,19

ANEXO II

Anexo II

143

Avaliação do potencial de expansão pelo método DMA-1/DNER-MG/92 – adaptação do método PTM 130/1978, pelo Departamento de Estradas de

Rodagem de Minas Gerais

Outra opção, para avaliação da expansibilidade, é a adaptação do PTM 130 pelo

Departamento de Estradas de Rodagem de Minas Gerais.

Neste ensaio, a amostra seca ao ar deve passar na peneira de 2” (50,8mm), para

formação da amostra inicial. Em seguida, procede-se o quarteamento até obter uma

amostra representativa de 6,36kg, ou mais. Passa-se esta parcela na peneira de 3/4"

(19mm), e, se houver material retido nesta peneira, procede-se a sua substituição, por

igual quantidade de material passante na peneira de 3/4" (19mm) e retido na peneira nº

4 (4,8mm). Posteriormente, determina-se a umidade ótima e a densidade máxima,

conforme a norma DNER-ME 049/94 (Solos- determinação do Índice de Suporte

Califórnia utilizando amostras não trabalhadas).

Os três corpos-de-prova, com umidade próxima da ótima, são colocados em moldes

cilíndricos de aço galvanizado com 150mm de diâmetro. Os corpos-de-prova usados

neste ensaio são compactados, com 56 golpes de cilindro metálico (peso de 2,496kg e

altura de queda de 30,48cm), em três camadas, com espessuras finais aproximadamente

iguais.

Depois da compactação, os corpos-de-prova são invertidos no molde e fixados numa

placa perfurada, que deve estar coberta com um disco de papel filtro grosso, para que a

escória fique em contato com o papel filtro. Então, é realizada a montagem do aparato

de leitura da expansão, composto do prato perfurado, de uma haste ajustável, de uma

sobrecarga em forma de anel (massa igual a 4,542kg), e de um tripé com o

extensômetro ou relógio comparador com precisão de 0,01mm.

Após a montagem, os moldes são submergidos em água, pré-aquecida, à temperatura de

38ºC, permitindo a livre percolação da água por cima e por baixo do molde. Então, os

moldes são colocados em posição nivelada, submersos em água à temperatura de 71 ±

3ºC. São realizadas leituras diárias, sendo a primeira delas após 30 minutos de ensaio,

nos sete primeiros dias. As amostras devem ficar submersas durante todo o período de

ensaio. Se for necessário, deve-se adicionar água duas horas antes da leitura. Após este

Anexo II

144

período, os corpos-de-prova são retirados do banho térmico e mantidos na condição

saturada (adição diária de água) e em estufa a 71 ± 3ºC de temperatura, fazendo-se

leituras de expansão, por mais sete dias. A condição saturada é garantida com a adição

diária na parte de cima da amostra, de 500ml de água, duas horas antes da leitura.

O acompanhamento da expansão vertical dos corpos-de-prova é feito por meio de

leituras diárias dos relógios comparadores. A porcentagem de expansão volumétrica é a

diferença entre as leituras final e inicial, dividida pela altura inicial da amostra

(11,64cm).

Segundo a norma DNER EM – 262/94 – Escória de aciaria para pavimentos rodoviários

– Especificação de material, o limite para a expansão é igual a 3,0% aos quatorze dias

de ensaio. Enquanto que, a especificação P 408/2003, do Departamento de Transportes

da Pensilvânia, cita um potencial de expansão máximo de 0,5% para a utilização de

escória de aciaria em pavimentação.

Os ensaios de determinação do potencial de expansão pelo método PTM 130/1978

adaptado pelo DER/MG são realizados por Oliveira (2006).

A Figura 1, a Figura 2 e a Figura 3 mostram os resultados do potencial de expansão das

amostras não tratada, tratada por 6 meses e tratada por 12 meses, respectivamente, da

Usina 1, segundo o método PTM 130/1978.

Limite DNIT

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Tempo [dias]

Expa

nsão

acu

mul

ada

[%]

1 2 3

4 5 MÉDIA

Figura 1 - Resultados da expansão acumulada da amostra não tratada da Usina 1,

segundo o método PTM 130/78 (OLIVEIRA, 2006)

Anexo II

145

Limite PTM130/78

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tempo [Dias]

Expa

nsão

acu

mul

ada

[%]

1 23 45 MÉDIA

Figura 2 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada, por 6 meses, da Usina

1, segundo o método PTM 130/78 (OLIVEIRA, 2006)

Limite PTM130/78

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tempo [Dias]

Expa

nsão

acu

mul

ada

[%]

1 23 45 MÉDIA

Figura 3 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada, por 12 meses, da

Usina 1, segundo o método PTM 130/78 (OLIVEIRA, 2006)

A amostra tratada por 12 meses é a única a apresentar todos os corpos-de-prova com

valores abaixo do limite estabelecido pelo DNER (EM-262/94), sendo, portanto, a única

que seria aprovada se adotado o critério proposto de 3%.

A Figura 4 e a Figura 5 mostram os resultados obtidos pela amostra não tratada e tratada

por 1 mês, respectivamente, da Usina 2, segundo o método PTM 130/78.

Anexo II

146

Limite DNIT

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15Tempo [dias]

Expa

nsão

acu

mul

ada

[%]

1 23 45 MÉDIA

Figura 4 - Resultados da expansão acumulada da amostra não tratada da Usina 2,


Limite PTM130/78

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tempo [Dias]

Expa

nsão

acu

mul

ada

[%]

1 23 45 MÉDIA

Figura 5 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada, por 1 mês, da Usina 2,


A Figura 6 mostra o resultado do potencial de expansão da amostra analisada por

Raposo (2005), procedente da Usina 2 e tratada por 3 meses. De acordo com este

resultado, o tratamento de 3 meses é eficiente, segundo o critério de aceitação da norma

DNER (EM-262/94) para o método de ensaio PTM 130/78, na redução do potencial de

expansão para a amostra de escória de aciaria LD da Usina 2.

Anexo II

147

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Tempo (dias)

Expa

nsão

Acu

mul

ada

[%]

1 23 45 Média

Figura 6 - Resultados da expansão acumulada da amostra tratada por 3 meses da Usina

2, segundo o método PTM 130/78 (RAPOSO, 2005)

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