RHEOLOGICAL AND PHYSICAL PROPERTIES OF CEMENT PASTES MODIFIED BY GROUND TIRE RUBBER
REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7830119
Lumiere de Jesus1
Simone Taguchi2
Fernando de Souza Jr.3
Romildo Toledo Filho4
Mostafa Aboelkheir5
Resumo. Este trabalho mostra um estudo da influência do pó de borracha de pneu sobre as propriedades físicas e reológicas de pastas de cimento, através de substituições volumétricas pelo agregado fino, sílica 120 mesh. As pastas foram caracterizadas no estado fresco pelas técnicas de massa específica aparente, ar aprisionado, e reologia, e, também, no estado endurecido depois de 28 dias de cura pelas técnicas de absorção total de água e índice de vazios. Com o aumento da quantidade de borracha, a massa específica aparente diminui, e, ao mesmo tempo, o ar aprisionado atingiu valores muito superiores da pasta sem borracha. A borracha apresentou uma pequena influência sobre os valores do índice de vazios e da absorção de água até 15% de substituição. Todas as pastas mostraram um comportamento de fluxo não Newtoniano Pseudoplástico. A pasta de referência atingiu os menores valores da tensão de escoamento, do limite de escoamento, da viscosidade plástica e do torque, enquanto estes aumentaram com o aumento da quantidade de borracha. A borracha aumentou a tensão de cisalhamento dinâmica (limite de escoamento) das pastas em maior escala com taxas de cisalhamento muito baixa.
Palavras-chaves: Resíduos Sólidos, Borracha de Pneu, Reologia, Compósitos à Base de Cimento.
Abstract. This work presents a study about the influence of tire rubber powder on physical and rheological properties of cement pastes, through volumetric replacement of the fine aggregate, silica 120 mesh. The pastes were characterized in the fresh state by apparent density, trapped air, and rheology techniques, and also in the hardened state after 28 days of curing by the total water absorption and void index tests. As the amount of rubber increases, the apparent specific mass decreases and, at the same time, trapped air reached much higher values of the control paste. Rubber had a small influence on voids index and water absorption values up to 15% replacement. All pastes presented non-Newtonian Pseudoplastic flow behavior. The control paste reached the lowest values of shear stress, yield stress, plastic viscosity and torque, while these parameters increased with increasing rubber amount. The rubber influence on the dynamic shear stress (yield stress) is much higher than the static shear stress.
Keywords: Solid Waste, Tire Rubber, Rheology, Cement-Based Composites.
1. INTRODUÇÃO
Uma forma de reciclagem dos pneus inservíveis é a trituração dos mesmos gerando farelos e pó de borracha que, posteriormente, podem ser inseridos em matrizes poliméricas ou cimentícias como agregado reciclado. O asfalto emborrachado ou Asfalto Ecológico é uma técnica da qual utiliza o pó de borracha proveniente da trituração de resíduos pneumáticos como carga, produzindo massa utilizada na pavimentação de vias. Também, pesquisas no ramo da construção civil visa reaproveitar esse tipo de resíduo na fabricação de blocos de concreto (Bauer et al., 2015; Nohara et al., 2005; Monteiro et al., 2011).
A borracha como agregado reciclado pode ser utilizado em misturas à base de cimento, porém a mesma pode prejudicar as propriedades mecânicas do concreto; resistência à compressão, flexão e tração. Em contrapartida, ela pode melhorar a ductilidade, relação de amortecimento e dissipação de energia dentro da mistura. No entanto, alguns comportamentos que resultam desse tipo de agregado precisam ser melhor estudados, como as propriedades físicas e reológicas após a sua adição (Cordeiro et al., 2016; Gerges et al., 2018; Kotresh e Mesfin, 2014; Li et al., 2014; Mendoza Reales et al., 2018; Sukontasukkul e Jamnam, 2013)
Muitos estudos indicam decaimento nos valores da massa específica aparente com o aumento da quantidade da borracha dentro da mistura. A queda ainda é maior quando a substituição é do agregado graúdo comparado ao agregado miúdo, e, em contrapartida, a porosidade tende a aumentar (Girskas e Nagrockienė, 2017; Najim e Hall, 2013). Independentemente do tamanho da partícula de borracha, ela tende a reter água do sistema levando a diminuição do diâmetro do espalhamento. Um superplastificante de 1-3% da massa do cimento pode ajudar a controlar a trabalhabilidade das misturas (Li et al., 2014).
Este trabalho tem como objetivo estudar a influência de pó de borracha de pneu sobre algumas propriedades físicas e reológicas de pastas de cimento, através de substituições volumétricas pelo agregado fino, sílica 120 mesh, presente na matriz. Para atingir o tal objetivo, foi necessário caracterizar a mistura no estado fresco pelas técnicas de massa específica aparente, ar aprisionado, e reologia, e, também, no estado endurecido depois de 28 dias de cura pelas técnicas de absorção total de água e índice de vazios.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
Foram utilizados para a realização deste trabalho cimento Portland CPV (Holcim-Brasil), com massa específica de 3,14 g/cm3, segundo a norma ABNT NBR 9831, sílica de 120 mesh com massa específica de 2,667 g/cm3, borracha do pneu de 120 mesh (Genan- Dinamarca) com massa específica de 1,18 g/cm3, além do uso de água deionizada e agente superplastificante em 0,6% em relação à massa do cimento. A Figura 1 mostra as curvas granulométricas dos materiais secos e a composição química dos mesmos é mostrada na Tabela 1.
Figura 1- Curva de distribuição granulométrica dos materiais secos.
Tabela 1- Composição química dos materiais secos
O traço aplicado no atual trabalho foi cimento:sílica:água = 1:1:0,34. A sílica foi substituída volumetricamente pela borracha de pneus em 5, 10, 15 e 20%, formando as pastas R5, R10, R15 e R20.
As pastas foram caracterizadas no estado fresco pelos testes de massa específica aparente e quantidade de ar aprisionado, e, além disso, foram determinados os parâmetros reológicos com auxílio de um reômetro de palheta com geometria em cruz V72 (Vane Spindle) via o reômetro Brookfield, modelo DV-III Ultra. Um volume de amostra de 400 mL foi colocado em um béquer e o programa de cisalhamento foi adaptado de Cordeiro et. al. (2016) e Mendoza et. al. (2018), onde foi composto de pré-cisalhamento por 3 min do repouso até 0,2 s-1, seguido por uma taxa de cisalhamento constante de 0,2 s-1por 90 s para garantir a homogeneidade da amostra e uma rampa ascendente de 0,2 a 44,95 s-1por 1 min e finalmente uma curva descendente de 48 para 0 s-1em 20 etapas de 30s cada. Todos os testes foram realizados à temperatura ambiente. Também, a absorção de água e o índice de vazios foram medidos nos corpos de prova endurecidos de 50×100 mm depois de 28 dias de cura de acordo com NBR 9778 (2005).
3. RESULTADOS E DISCUSSÕES
A Figura 2 mostra a influência do pó de borracha de pneu sobre valores da massa específica aparente (Fig.2-a) e na quantidade de ar aprisionado (Fig. 2-b) no estado fresco das pastas. Os resultados destacam uma regressão linear esperada, com o coeficiente de determinação R2= 0,96, nos valores da massa específica aparente devido à adição da borracha que tem densidade muito inferior à sílica, substituída por ela. Ao adicionar 20% da borracha (R20), a massa específica aparente diminui em 16,14%. Em contra partida, as pastas com borracha apresentaram um aumento linear, com R2=0,98, nos valores do ar aprisionado dentro da pasta, onde a R20 atingiu 16,5% enquanto a pasta sem borracha atingiu um valor de 1,5%.
Figura 2- Influência da borracha de pneu sobre: a) Massa específica aparente (g/cm3), e b) Ar aprisionado (%).
A Figura 3 apresenta a relação entre a quantidade do pó de borracha de pneu na pasta de cimento e os valores do índice de vazios (Fig.3-a) e da absorção total de água (Fig. 3-b) nos corpos endurecidos depois de 28 dias de cura. Os resultados indicam que com o aumento da quantidade da borracha dentro da mistura, houve um pequeno decaimento nos valores do índice de vazios e da absorção de água até 15% de substituição, e, em seguida, os valores aumentaram significativamente ao adicionar 20% de borracha para a mistura R20 atingindo 51,12% e 34,35% de aumento para o índice de vazios e a absorção de água, respectivamente. Em outras palavras, a adição de borracha não modificou os parâmetros desses dois ensaios até 15% de substituição.
Figura 3- Influência da borracha de pneu: a) Conteúdo de vazios (%), e b) Absorção total de água (%).
Os resultados dos parâmetros reológicos obtidos a partir do método Vane Spindle estão apresentados na Tabela 2, assim como o valor do torque máximo obtido para cada mistura. A Fig. 4 e a Fig. 5 apresentam a influência do tempo (s) e da taxa de cisalhamento (s-1), respectivamente, sobre tensão de cisalhamento de pastas de cimento contendo pó de borracha, comparadas com a pasta da referência.
Tabela 2- A influência da borracha de pneu sobre os parâmetros reológicos das pastas de cimento
| Parâmetros Reológicos | R0 | R5 | R10 | R15 | R20 |
| Tensão de Escoamento (Pa) | 113,73 | 130,99 | 157,55 | 133,87 | 143,33 |
| Limite de Escoamento (Pa) | 18,9 | 20,19 | 51,53 | 51,1 | 46,74 |
| Viscosidade Plástica (Pa.s) | 1,98 | 2,37 | 2,11 | 2,03 | 2,32 |
| Torque (%) | 71 | 82 | 98 | 83 | 90 |
Na Fig. 4, as pastas modificadas com borracha, R10, R15 e R20, atingiram um valor de tensão de cisalhamento em uma taxa mais acelerada do que para as pastas R0 e R5. Isto pode ser atribuído à presença de maior quantidade de partículas de borracha que tende a reter mais água aos redores (Li et al., 2014), atrapalhando a fluidez de uma maneira geral, e, consequentemente, aumentando o torque máximo e a tensão de cisalhamento estática.
Os resultados da curva de fluxo indicam que todas as pastas mostram um comportamento de fluxo não Newtoniano Pseudoplástico. Após a aplicação do modelo de Bingham (τ = τ0 + μ0.γ) (R2 ≥ 0,93), pode-se notar que a pasta R0 atingiu os menores valores da tensão de escoamento, do limite de escoamento, da viscosidade plástica e do torque (Fig. 5). Com a adição do pó de borracha, a viscosidade plástica atingiu valores maiores, entre 2,03 e 2,37 (Pa.s). A pasta R20 aumentou o torque em 21%, enquanto a tensão e o limite de escoamento aumentaram em 20,6% e 59,6%, respectivamente. Em outras palavras, a borracha aumentou a tensão de cisalhamento dinâmica (limite de escoamento) das pastas em maior escala com taxas de cisalhamento muito baixa. Destaca-se a pasta R10 por ter um comportamento fora da tendência seguida pelas outras pastas modificadas com borracha. Isto pode ser atribuída a algum erro da medida ou da homogeneização durante o preparo da mesma.
Figura 4- Influência da borracha de pneu sobre tensão de cisalhamento versus o tempo.
Figura 5- Dados experimentais do reômetro Brookfield e as respectivas linhas de tendências lineares.
4. CONCLUSÕES
Este trabalho mostra um estudo sobre a influência de pó de borracha de pneu sobre algumas propriedades físicas e reológicas de pastas de cimento. Com o aumento da substituição da sílica (agregado fino) pela borracha, a massa específica aparente sofre um decaimento em 16,14% com 20% de substituição, e, ao mesmo tempo, o ar aprisionado atingiu um valor de 16,5%. No estado endurecido, a adição de borracha não modificou os valores do índice de vazios e da absorção de água até 15% de substituição. Todas as pastas mostram um comportamento de fluxo não Newtoniano Pseudoplástico. A pasta de referência atingiu os menores valores da tensão de escoamento, do limite de escoamento, da viscosidade plástica e do torque. Os valores destes parâmetros nas pastas modificadas com borracha aumentaram de acordo com o aumento da quantidade da borracha, exceto para a pasta R10. A borracha aumentou a tensão de cisalhamento dinâmica (limite de escoamento) das pastas em maior escala com taxas de cisalhamento muito baixas.
Agradecimentos
Este trabalho contou com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) e da Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP PRESAL Ref.1889 / 10). Chagas Filho de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro (FAPERJ).
REFERÊNCIAS
Bauer, J.M., Cásseres, M., Saueressig, G., Luchese, J., Sellitto, M. (2015), Destinação de Pneus Usados Servíveis e Inservíveis: Dois Estudos de Caso, 19, 1292-1302.
Jouliana Jordan Nohara, Cláudia Rosa Acevedo, Bely Clemente Camacho Pires, Renato Muniz Corsino (2005), GS-40 – Resíduos Sólidos: Passivo Ambiental e Reciclagem de Pneus, 3, 21–57.
Márcio Augusto Monteiro, Leonardo Miranda Laborne Mattioli, Robson Hilário Ferreira (2011), PGIRPN. Plano de Gerenciamento Integrado de Resíduos Pneumáticos.
Gerges, N.N., Issa, C.A., Fawaz, S.A. (2018), Rubber concrete: Mechanical and dynamical properties. Case Studies in Construction Materials, 9, 184.
Cordeiro, G.C., de Alvarenga, L.M.S.C., Rocha, C.A.A. (2016), Rheological and mechanical properties of concrete containing crushed granite fine aggregate, Construction and Building Materials, 111, 766–773. Mendoza Reales, O.A., Arias Jaramillo, Y.P., Ochoa Botero, J.C., Delgado, C.A., Quintero, J.H., Toledo Filho, R.D. (2018), Influence of MWCNT/surfactant dispersions on the rheology of Portland cement pastes, Cement and Concrete Research, 107, 101–109.
Kotresh, K.M., Mesfin, G.B. (2014), Study on Waste Tyre Rubber As Concrete Aggregates. International Journal of Scientific Engineering and Technology, 3, 433–436.
Li, D., Mills, J., Benn, B., Ma, X. (2014), “Abrasion and impact resistance investigation of crumbed rubber concrete (CRC)”, 23rd Australasian Conference on the Mechanics of Structures and Materials (ACMSM23), 1, 255–260.
Girskas, G., Nagrockienė, D. (2017), Crushed rubber waste impact of concrete basic properties, Construction and Building Materials, 140, 36–42.
Najim, K.B., Hall, M.R. (2013), Workability and mechanical properties of crumb-rubber concrete, Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Construction Materials, 166, 7–17.
1, 21,2 Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Instituto Tecnológico – Seropédica, RJ, Brasil
3, 5Instituto de Macromoléculas – Professora Eloisa Mano (UFRJ) – Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
4Programa de Engenharia Civil – Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.
5Programa de Engenharia Civil – Universidade São Judas Tadeu, São Paulo, SP, Brasil.