PT108957A

PT108957A - Betões de elevado desempenho sem incorporação de agregados naturais e o seu processo de preparação.

Info

Publication number: PT108957A
Application number: PT108957A
Authority: PT
Inventors: Manuel Faria Da Rocha Evangelista Luís; Manuel Caliço Lopes De Brito Jorge; André Gomes Pedro Diogo
Original assignee: Inst Superior Técnico; Inst Superior De Engenharia De Lisboa
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2017-05-15
Also published as: WO2017082747A1; PT108957B

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO REFERE-SE A BETÕES DE ELEVADO DESEMPENHO SEM QUALQUER INCORPORAÇÃO DE AGREGADOS NATURAIS. A DESIGNAÇÃO 'ELEVADO DESEMPENHO' TEM COMO BASE A QUANTIFICAÇÃO DE ALGUMAS PROPRIEDADES EM CONFORMIDADE COM O DISPOSTO NA LITERATURA. NESTE CONTEXTO, OBSERVA-SE NA LITERATURA, EXIGÊNCIAS DE 76-124 MPA E DE 33-44 GPA, RESPETIVAMENTE PARA A RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO E PARA O MÓDULO DE ELASTICIDADE, SENDO TAMBÉM, NO ESTADO FRESCO, RECOMENDADO O USO DA CLASSE DE ABAIXAMENTO S4. ESTES BETÕES SÃO PRODUZIDOS COM CIMENTO PORTLAND E CINZAS VOLANTES (LIGANTE), AGREGADOS RECICLADOS DE BETÃO, SUPERPLASTIFICANTES, PODENDO AINDA CONTER SÍLICA DE FUMO. A INVENÇÃO APRESENTA-SE COMO UM NOVO PRODUTO NO MERCADO DE MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO RECICLADOS, CONSTITUINDO UMA SOLUÇÃO PARA A GESTÃO DE RESÍDUOS E ESCASSEZ DE RECURSOS NATURAIS. COM O AUMENTO DA UTILIZAÇÃO DE BETÕES DE ELEVADODESEMPENHO, A SUBSTITUIÇÃO TOTAL DE AGREGADOS NATURAIS POR AGREGADOS RECICLADOS TORNA-SE FUNDAMENTAL PARA A REDUÇÃO DOS IMPACTES AMBIENTAIS ASSOCIADOS.

Description

DESCRIÇÃO

Betões de elevado desempenho sem incorporação de agregados naturais e o seu processo de preparação

Campo da invenção

Campo técnico em que a invenção se insere A presente invenção insere-se no campo técnico dos produtos de construção. A invenção em causa refere-se a betões de elevado desempenho produzidos sem agregados naturais e com possível aplicação em situações onde sejam exigidos requisitos especiais.

Os betões de elevado desempenho são caracterizados por apresentarem melhores propriedades mecânicas, maiores trabalhabilidades e melhores resistências a ataques químicos do que os betões convencionais. A designação "elevado desempenho" tem como base a quantificação de algumas propriedades em conformidade com o disposto na literatura. Neste contexto, observa-se na literatura, exigências de 76-124 MPa e de 33-44 GPa, respetivamente para a resistência à compressão e para o módulo de elasticidade [1], sendo também, no estado fresco, recomendado o uso da classe de abaixamento S4 [2] . A substituição de agregados naturais por agregados reciclados, quando praticada, tem sido limitada apenas a fins de baixo valor acrescentado, como betões não estruturais ou bases de estrada.

As principais causas desta situação devem-se a uma perceção negativa sobre o desempenho dos betões com agregados reciclados. De facto, os agregados reciclados de betão são, em princípio, de qualidade inferior à dos agregados naturais. Esta situação deve-se à presença de argamassa aderida que é responsável por diminuir a massa volúmica e aumentar a absorção de água e a porosidade dos agregados reciclados face aos agregados naturais. As caracteristicas referidas podem conduzir a uma diminuição da quantidade de água disponível para o processo de hidratação e, por conseguinte, originar uma zona de interface pasta-agregado reciclado mais fraca.

Como tal, pretende-se apresentar um novo produto, de elevado desempenho, que contorne os problemas referidos e, ao mesmo tempo, contribua para uma maior sustentabilidade na indústria da construção.

Estado da técnica

As cidades dos países industrializados têm vindo a crescer de modo exponencial, tanto em área implantada como em altura, requerendo, para tal, construções com elevada dimensão e robustez. Esta realidade tem sido possível devido à utilização de betão, material caracterizado pela sua facilidade de produção, baixa tecnologia de aplicação, versatilidade e custo acessível. Atualmente é o material de construção mais utilizado no Planeta, com uma produção estimada em cerca de 10 mil milhões de metros cúbicos / ano [3] .

Para o fabrico do betão, são necessários agregados naturais, cimento, energia e água em quantidades muito elevadas, responsáveis por um aumento de pressão sobre os ecossistemas envolventes [4].

No que respeita ao consumo mundial de agregados naturais para fabrico de betões, os resultados de trabalhos de investigação apontam para valores da ordem de 37,4xl03 milhões de toneladas em 2010 e de 48xl03 milhões de toneladas em 2015, demonstrando um crescente consumo deste produto e, consequentemente, a necessidade de uma alternativa com menor impacte ambiental [5]. A obtenção destes agregados para construção está associada a diversos impactes negativos não desprezáveis. Por exemplo, a extração de areias dos leitos dos rios ou lagos altera os regimes de escoamento, afetando as estruturas envolventes e os ecossistemas locais, influenciando negativamente a biosfera e as populações, sendo o colapso da ponte Hintze Ribeiro, a 4 de Março de 2001, um exemplo dramático desta situação [6]. No que respeita à extração de rochas em pedreiras em céu aberto é uma atividade cujo impacte ambiental é sobejamente conhecido, criando zonas desflorestadas, com ausência de terreno vegetal, eliminando toda a vida animal e vegetal da área intervinda, e diminuindo a qualidade dos lençóis freáticos existentes. Adicionalmente, e à medida que os recursos vão escasseando, as dificuldades de obtenção dos agregados aumenta, aumentando também os custos diretos e indiretos associados à sua extração.

Assim, considerando o conceito de desenvolvimento sustentável, a indústria do betão terá que implementar um conjunto de estratégias em relação à sua aplicação, de forma a permitir atender às necessidades atuais sem impedir as gerações futuras de satisfazer as suas.

No sentido de se minimizar o impacte ambiental e energia utilizada no fabrico de betão, a reutilização dos residuos da construção e demolição (RCD) é uma via benéfica para uma crescente sustentabilidade na indústria da produção de betão. Neste âmbito, propõe-se a utilização do produto da trituração de betões rejeitados - o agregado reciclado -cuja aplicação contribuirá fortemente para a mitigação da escassez de recursos naturais.

Paralelamente, a deficiente gestão de resíduos constitui um grave problema que terá de ser tratado rapidamente. O Eurostat menciona que, na Europa, é gerado um total de 970 milhões de toneladas/ano de resíduos da construção e demolição, o que representa quase 2,0 toneladas per capita [7] . A esta situação acresce o facto de a taxa média de reciclagem da União Europeia ser de apenas 47% [7] . De forma a resolver o problema, a União Europeia, através da Diretiva Quadro "Resíduos" [8] estabeleceu que pelo menos 70%, em peso, dos RCD produzidos terão que ser reciclados até ao ano de 2020.

De notar que uma adequada gestão dos RCD não é apenas responsável por benefícios ambientais [9]. O mercado de materiais de construção reciclados gerou receitas de 744.100.000,00€ em 2010 e estima-se que cheguem a 1,3€ biliões em 2016 [9].

Considerando o panorama descrito, a presente invenção pretende incorporar na totalidade agregados reciclados, sem tratamento prévio, em betões de elevado desempenho. Apesar de já ser comum a sua utilização em betões não estruturais, a verdade é que as estruturas de betão, em muitos países, entre os quais Portugal, continuam a ser feitas apenas com agregados naturais. Para esta realidade muito tem contribuído a elevada variabilidade dos agregados reciclados, causada pela presença de quantidades variáveis de argamassa aderida.

Contudo, através da investigação experimental que conduziu à presente invenção, verificou-se que, controlando determinados aspetos relacionados com os betões de origem dos agregados, proporções dos constituintes e processo de mistura, é possível produzir betões reciclados de elevado desempenho.

Através da pesquisa de patentes efetuada, verificou-se que existem três que se aproximam da presente invenção [10-12]. No documento CN103588404 [10], é também referido um método que permite produzir betões de elevado desempenho utilizando agregados reciclados. No entanto, os agregados reciclados necessitam de um tratamento prévio (que os encarece e aumenta o seu impacte ambiental) e as composições continuam a recorrer a agregados naturais (pelo que mantém esse impacte ambiental e incorpora taxas muito menores de agregados reciclados).

No que respeita ao documento CN 102786243 [11], é indicado um método de tratamento de agregados reciclados que permite a sua incorporação em betões de elevado desempenho sem comprometer o seu desempenho. Mais uma vez, os agregados reciclados são sujeitos a um tratamento, com os respetivos impactes ambientais. Além disto, neste documento, é considerada apenas a fração grossa dos reciclados. Tem, portanto, as mesmas limitações do documento anterior. Finalmente, no documento CN 102898086 [12], é também referido um método de preparação de betões reciclados de elevado desempenho. Através da sua análise, verifica-se que as misturas referidas não atingem valores de resistência à compressão superiores a 55 MPa (em cilindros), desempenho muito inferior ao conseguido pelo produto proposto e ao que é atualmente recomendado em betões de elevado desempenho [1] ·

Sumário da invenção A presente invenção refere-se a um novo tipo de betões de elevado desempenho, nos quais é substituída a fração natural, na sua totalidade, por agregados reciclados não sujeitos a qualquer tratamento prévio. Além deste constituinte, apresentam na sua composição cimento e cinzas volantes que constituem o ligante e ainda superplastificantes caracterizados por serem redutores de água, que permitem aumentar a plasticidade da pasta aumentando a trabalhabilidade do betão ou ainda reduzir a quantidade de água mantendo a trabalhabilidade, e exibem preferencialmente uma base química resultante da combinação de policarboxilatos modificados. Os betões podem ainda conter sílica de fumo. Estes betões apresentam um excelente desempenho que é adequado para situações que requerem requisitos especiais de resistência e de durabilidade. Poderão ser utilizados em edifícios, em pontes e obras de arte, peças pré-fabricadas, entre outras aplicações. Este novo produto permite ainda reduzir significativamente os custos ambientais associados ao fabrico de betões. Apesar de existirem algumas patentes sobre a incorporação de agregados reciclados em betões de elevado desempenho, o facto é que as soluções propostas continuam a provocar a maior parte do impacte ambiental (uma vez que apenas uma percentagem dos agregados naturais é substituída e os agregados reciclados são necessariamente sujeitos a um tratamento prévio). Estas limitações aumentam a complexidade do processo, sendo um entrave à aplicação industrial. Com a presente invenção, estes dois problemas são resolvidos e acredita-se que, através de uma economia de escala, seja possível obter um produto mais barato e mais sustentável. De notar que a preocupação ambiental da sociedade em relação ao desperdício dos recursos naturais e energéticos que caracterizou os séculos XIX e XX tem aumentado e contribuído para o aparecimento de novos produtos eco-eficientes. Esta patente pode ser o começo para mais produtos inovadores e de elevada aplicabilidade.

Descrição detalhada da invenção

Os betões objeto da invenção que se pretende proteger são inovadores dentro do seu campo técnico uma vez que, na sua composição, são utilizados agregados reciclados em vez de agregados naturais.

Os agregados reciclados utilizados devem ser sujeitos a um processo de britagem idêntico ao dos agregados naturais e não devem ser submetidos a qualquer tratamento prévio. A máxima dimensão destes agregados, que corresponde à menor abertura de malha do peneiro da NP EN 12620, através do qual passa uma quantidade de agregado superior ou igual a 90%, deve ser de 16 mm e os seus valores de absorção de água devem estar compreendidos entre 3,5 e 6,5%. Em termos de massa volúmica seca, estes agregados devem apresentar valores entre 2300 e 2600 kg/m3.

Relativamente à massa total da mistura, os betões apresentam os seguintes constituintes: i) 10,0 a 43,0% de cimento Portland; ii) 10,0 a 40,5% de agregados finos reciclados; iii) 15,0 a 48,5% de agregados grossos reciclados; iv) 1 a 10% de cinzas volantes; v) 0,01 a 2% de superplastificante; vi) 0 a 5% de sílica de fumo. O seu processo de preparação compreende os seguintes passos: ligação de betoneira de eixo vertical; colocação de agregados reciclados de granulometria 4-16 mm com ou sem adição de sílica de fumo e 75% da água total; espera de dois minutos e trinta segundos e introdução de agregados reciclados de granulometria 0-4 mm; espera de mais dois minutos e trinta segundos e introdução de cimento, cinzas volantes e dos restantes 25% da água total misturada com o superplastificante; espera de mais cinco minutos, para homogeneização da mistura, e paragem da betoneira durante três minutos; ligação da betoneira durante um período de mais três minutos e retirada do betão resultante.

Quanto às suas propriedades mecânicas, estes betões possuem uma resistência à compressão pertencente à classe C70/85, adequada para as aplicações referidas. De notar que, segundo a norma NP EN 206-1 [13], para um betão ser classificado como de elevada resistência, deve pertencer a uma classe superior a C50/60. A norma citada ainda não contempla a designação de elevado desempenho, cujo conceito abrange características além das de caráter mecânico.

De acordo com o Eurocódigo 2 [14] e para as classes de resistência superiores a C50/60, verifica-se também que os valores de módulo de elasticidade dos betões se encontram dentro dos indicados.

No estado fresco, os betões apresentam boa trabalhabilidade, com valores de abaixamento entre 160 e 210 mm, cumprindo as recomendações existentes para a sua aplicação em obra [2].

Em termos de durabilidade, possuem igualmente um desempenho excelente, nomeadamente profundidades de carbonatação e coeficientes de difusão de cloretos, aos 91 dias, próximos de 0 mm e de 4xl0“12 m2/s, respetivamente.

Assim, com a presente invenção, torna-se possível produzir betões de elevado desempenho apenas com agregados reciclados e com aplicação em situações complexas. As suas características intrínsecas permitem, por exemplo, reduzir as secções dos pilares mais solicitados, possibilitando um aumento de área útil que é bastante importante em termos económicos. Apresentam também baixa permeabilidade e excelente durabilidade contra o ataque de agentes físicos e químicos normalmente responsáveis pela deterioração dos betões, conduzindo a um aumento da vida útil das estruturas. Além disso, o facto de se utilizar apenas agregados reciclados e sem qualquer tratamento prévio permite reduzir substancialmente o custo ambiental destes betões e diminuir a complexidade da sua aplicação industrial (um dos principais problemas dos documentos de patentes referidos anteriormente). 0 novo produto tem assim condições para dinamizar os mercados de reciclagem e de materiais de construção.

Exemplos

Exemplo 1 - Preparação de 1 m3 de betão de elevado desempenho sem agregados naturais, de acordo com a invenção, com adição de sílica de fumo

Componente Quantidade (kg)

Cimento Portland 550

Cinzas volantes 55 Sílica de fumo 55

Agregados reciclados 0-4mm 622

Agregados reciclados 4-16mm 775 Água 195

Superplastificante 12

Tabela 1. Síntese das características determinadas em ensaio para o betão do exemplo 1.

Exemplo 2 - Preparação de 1 m3 de betão de elevado desempenho sem agregados naturais, de acordo com a invenção, sem adição de sílica de fumo

Componente Quantidade (kg)

Cimento Portland 550

Cinzas volantes 55

Agregados reciclados 0-4mm 653

Agregados reciclados 4-16mm 814 Água 195

Superplastificante 12

Tabela 2. Síntese das características determinadas em ensaio para o betão do exemplo 2.

Referências bibliográficas [1] Harris, D. Application of Ultra-High Performance Concrete (UHPC) for sustainable building components. US-Israel Workshop on: Sustainable Buildings - Materials and Energy, Haifa, 2010.

[2] APEB. Guidelines for the use of standard NP EN 206-1 (in Portuguese), 4â Edição, 2008.

[3] Meyer, C. The greening of the concrete industry. Cement and Concrete Composites, Volume 31, Issue 8, 2009, pp. 601-605.

[4] de Brito, J., Saikia, N. Recycled Aggregate in Concrete: Use of Industrial, Construction and Demolition Waste, 2013, pp. 445.

[5] Freedonia. World Construction Aggregates to 2015 -Industry Study # 2838, The Freedonia Group, USA, pp. 334.

[6] Dias, J. Evolution of the Portuguese coastal zone: anthropogenic and natural forcing (in Portuguese). Scientific Meetings Magazine, Volume 1, pp. 8-28.

[7] Sonigo, P., Hestin, M., Mimid, S. Management of construction and demolition waste in Europe. Stakeholders Workshop, Brussels, 2010.

[8] European Parliament - Directive 2008/98/EC of the European Parliament and of the council of 19 November 2008 on waste and repealing certain directives, 2008.

[9] S. A.E.R.M.C.M - Strategic analysis of the European recycled materials and chemicals market. Frost & Sullivan, chttp://www.frost.com/prod/servlet/reporttoe.pag?repid=M579 -01-00-00-00>, 2011.

[10] Patent CN103588404 (B) . Lijing, W., Jianyong, L., Xueying, M., Baiyu, S., Donghui, C. Method for processing recycled aggregate and method for preparing high performance concrete using same, 2015.

[11] Patent CN 102786243 (B) . Xing, F., Kou, S. Modified recycled aggregate and recycled aggregate high-performance concrete, 2014.

[12] Patent CN 102898086 (B). Longquan, J., Quantang, L., Liangshu, Q., Yuansheng, J. Preparation method of high-performance recycled aggregate concrete, 2015.

[13] CEN ΕΝ 206-1:2013. Concrete: Specification, performance, production and conformity.

[14] CEN EN 1992-1-1:2004. Eurocode 2. Design of concrete structures. General rules and rules for buildings.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Betões de elevado desempenho sem incorporação de agregados naturais, caracterizados por os agregados utilizados na sua composição serem exclusivamente agregados reciclados e resultarem da trituração de betões já existentes, com resistências superiores a 50 MPa.
2. Betões de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por os agregados finos e grossos reciclados representarem, em relação à massa total da mistura, valores de 10,0 a 40,5% e 15,0 a 48,5%, respetivamente.
3. Betões de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizados por conterem um elemento ligante constituído por cimento Portland e cinzas volantes em quantidades de 10 a 43% ela 10%, respetivamente, em relação à massa total da mistura.
4. Betões de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizados pela ausência ou presença de sílica de fumo em quantidades de 0 a 5%, relativamente à massa total da mistura.
5. Betões de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracterizados por os ditos agregados reciclados terem uma dimensão máxima de 16 mm.
6. Betões de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracterizados por os ditos agregados reciclados terem uma massa volúmica seca entre 2300 e 2600 kg/m3.
7. Betões de acordo com as reivindicações 1 a 6, caracterizados por os ditos agregados reciclados terem uma absorção de água entre 3,5 e 6,5%.
8. Betões de acordo com as reivindicações 1 a 7, caracterizados por conterem superplastificantes em quantidades de 0,01 a 2%, relativamente à massa total da mistura.
9. Betões de acordo com as reivindicações 1 a 8, carac-terizados por os ditos superplastificantes serem redutores de água, preferencialmente com uma base química resultante da combinação de policarboxilatos modificados .
10. Processo de preparação dos betões descritos nas reivindicações 1 a 9 caracterizado por compreender os seguintes passos: a) ligação da betoneira de eixo vertical; b) introdução de agregados reciclados de granulome-tria 4-16 mm com ou sem adição de sílica de fumo e 75% da água total; c) espera de dois minutos e trinta segundos e introdução de agregados reciclados de granulometria 0-4 mm; d) espera de mais dois minutos e trinta segundos e introdução de cimento, cinzas volantes e dos restantes 25% da água total misturada com o superplastifi-cante; e) espera de mais cinco minutos, com a homogeneização da mistura, e paragem da betoneira durante três minutos; f) ligação da betoneira durante um período de mais três minutos e retirada do betão resultante.